Los científicos descubren el potencial del nitruro de galio para temperaturas extremas

La superficie de Venus es increíblemente caliente, con temperaturas que alcanzan los 480 grados Celsius, lo suficientemente caliente como para derretir el plomo.

Este calor extremo dificulta el funcionamiento de la electrónica tradicional basada en silicio.

Sin embargo, los científicos ahora están explorando el potencial del nitruro de galio, un material único que puede soportar estas condiciones abrasadoras.

El nitruro de galio ya se utiliza en algunos productos electrónicos cotidianos, como cargadores de teléfonos y torres de telefonía móvil. Pero los investigadores no entienden completamente cómo se comporta a temperaturas superiores a 300 grados Celsius, el límite para la mayoría de los componentes electrónicos de silicio.

Un nuevo estudio realizado por científicos del MIT y otras instituciones, publicado en Applied Physics Letters, tiene como objetivo llenar este vacío de conocimiento.

El equipo se centró en los contactos óhmicos en dispositivos de nitruro de galio. Estos contactos conectan el semiconductor con el mundo exterior y son cruciales para su rendimiento.

Descubrieron que incluso a 500 grados Celsius, los contactos y el propio material de nitruro de galio permanecían estables y no se degradaban significativamente.

Este descubrimiento es un paso importante hacia el desarrollo de transistores de alto rendimiento que podrían usarse en Venus o en otros ambientes de alta temperatura en la Tierra, como la extracción de energía geotérmica o el monitoreo de motores en aviones.

«Los transistores están en el corazón de la mayoría de la electrónica moderna», dice John Niroula, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática en el MIT. “No queríamos lanzarnos directamente a fabricar un transistor de nitruro de galio.

En primer lugar, teníamos que asegurarnos de que el material y los contactos pudieran sobrevivir y comprender cómo cambian con el aumento de temperatura».

El equipo incluyó a varios otros investigadores, como Qingyun Xie y Mengyang Yuan, que recientemente completaron sus doctorados, y a los estudiantes graduados Patrick K. Darmawi-Iskandar y Pradyot Yadav. El estudio fue dirigido por el autor principal Tomás Palacios, profesor del MIT y director de Microsystems Technology Laboratories.

Si bien el nitruro de galio es prometedor, todavía no se comprende tan bien como el silicio, especialmente a altas temperaturas. Una propiedad crítica es la resistencia, que afecta la forma en que la electricidad fluye a través de un material. Una alta resistencia de contacto puede provocar una mayor pérdida de energía y circuitos electrónicos más lentos.

Los investigadores construyeron dispositivos especiales de nitruro de galio en MIT.nano para medir la resistencia a altas temperaturas. Utilizaron dos métodos para agregar contactos óhmicos: depositar el metal y calentarlo, y una técnica que implica la regeneración de nitruro de galio altamente dopado, desarrollada por colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio. Ambos métodos demostraron que los contactos permanecían estables incluso a 500 grados Celsius durante 48 horas.

Para probar los dispositivos, el equipo realizó experimentos a corto y largo plazo. Se llevaron a cabo pruebas a corto plazo en la Universidad Rice calentando los dispositivos a 500 grados Celsius y midiendo la resistencia inmediatamente. Las pruebas a largo plazo en el MIT implicaron colocar los dispositivos en un horno durante hasta 72 horas. Utilizaron microscopios avanzados para examinar los efectos de las altas temperaturas en el material a nivel atómico.

«Nos sorprendió descubrir que los contactos y el material de nitruro de galio eran notablemente estables», dice Niroula. Incluso después de 48 horas a 500 grados, la resistencia de contacto se mantuvo constante. Sin embargo, el material comenzó a degradarse después de ese tiempo.

Los investigadores ahora están trabajando en formas de mejorar el rendimiento a largo plazo, como agregar aislantes protectores. Planean utilizar sus hallazgos para desarrollar transistores de nitruro de galio de alta temperatura.

«Nuestro trabajo adopta un enfoque sistemático desde el nivel material hasta el nivel del circuito», afirma Xie. «Nuestro objetivo es traducir estos avances en impactos en el mundo real para la electrónica de alta temperatura, gracias a nuestras sólidas asociaciones con colaboradores».

Esta apasionante investigación nos acerca al envío de componentes electrónicos a la superficie de Venus y a la mejora de los dispositivos electrónicos de alta temperatura en la Tierra.

Fuente: MIT.