El GaN lleva entre nosotros varias décadas pero es ahora cuando se habla de su enorme potencial en la fabricación de dispositivos más eficientes. ¿Sabéis qué es el nitruro de galio? Os lo contamos.
La mayoría de los circuitos electrónicos que utilizamos a día de hoy están fabricados con silicio, pero últimamente se está poniendo en duda la capacidad de este material para seguir ofreciendo las mejoras que necesitará la industria en las próximas décadas.
El silicio parece cada vez más cerca de su límite teórico, momento en el que ya no podrá usarse para seguir cumpliendo con la famosa Ley de Moore, una predicción de cofundador de Intel, Gordon Moore, quien dijo en 1975 que cada dos años se doblaría el número de transistores de un chip. Esta máxima lleva cumpliendo más de 50 años, en parte, gracias a las cualidades del silicio, pero es posible que debamos ir buscando sustitutos para este semiconductor, y uno de ellos podría ser el nitruro de galio o GaN.
El Nitruro de Galio es un semiconductor formado por la aleación de Nitrógeno y Galio que combinados forman un material duro y resistente con una estructura cristalina transparente, es decir, no es opaco como el silicio. Este material lleva décadas entre nosotros y últimamente se está utilizando para la fabricación de cargadores más eficientes que los de silicio.
Las cualidades del GaN resultaron idóneas en los años 90 para crear los núcleos de los LED de luz azul. Una tecnología que, junto con fósforo amarillo, produce luz blanca y dio como resultado las luces que ahora tenemos muchos en casa y que suponen un ahorro de energía considerable. Después de este invento llegaron otros relacionados como los lectores Blu-ray, las pantalla LED o las nuevas micro-LED.
Entre las ventajas que ofrece el nitruro de galio esta su banda prohibida (3.4eV^2) que es tres veces mayor que la del silicio (1.11eV^2). La separación entre la Banda de Valencia y la de conducción se denomina Bandgap o banda prohibida y su anchura determina si el material es un conductor, aislante o semiconductor.
Los electrones que rodean el núcleo de los átomos pueden moverse en orbitales con diferentes niveles de energía. Los electrones de valencia son los que están en la última capa y tienen posibilidad de crear uniones con otros átomos. A este nivel se le denomina Banda de Valencia y los orbitales que están por encima de ella son la Banda de Conducción, la cual permite a los electrones moverse libremente entre átomos conduciendo la electricidad.
En los materiales semiconductores, la Bandgap se usa como conmutador para crear circuitos lógicos. Aplicando potencial, los electrones suben a la Banda de Conducción y el circuito se activa. Quitando el potencial, los electrones se caen a la Banda de Valencia y el circuito se abre, se apaga. Esto permite crear con los semiconductores circuitos lógicos, microprocesadores, etc…
El hecho de que el GaN tenga una Bandgap más grande podría considerarse una desventaja al necesitar mayor potencial para activar los circuitos, sin embargo, ha resultado ser una ventaja en múltiples aspectos. Permite que el GaN pueda trabajar a temperaturas mayores que el silicio, con potenciales más fuertes y con un mejor rendimiento.
Otra característica interesante del nitruro de galio es que «pierde» entre un 10% y un 25% menos de energía que el silicio actual. Todas estas cualidades hacen que este material sea una opción muy interesante para los circuitos en dispositivos de potencia: cargadores, baterías, placas solares.
Los cargadores GaN
Posiblemente te suene por los primeros dispositivos a nivel de mercado en los que se está viendo la utilidad del nitruro de galio que son los cargadores. Además de hacerlos más potentes, los fabricantes apuestan por crear cargadores de GaN cada vez más pequeños.
Compañías como Anker y RAVPower ya han lanzado modelos con distintas potencias hasta 50% más pequeño que los de silicio. Impulsando esta tecnología podríamos pasar de cargadores de este tamaño a incluir el circuito completo en el propio cuerpo del enchufe.
Próxima parada: Venus
Aun así, el potencial del GaN no se limita a los circuitos de potencia o a dispositivos de iluminación. Al tener la capacidad de transicionar entre los estados Abierto/Cerrado a mayor velocidad que el silicio y su capacidad para soportar temperaturas muy altas, permitiría la fabricación de microprocesadores más pequeños, veloces y adaptados a entornos extremos.
La Universidad Estatal de Arizona (ASU) está trabajando con este material para crear un microprocesador destinado a futuras misiones espaciales. La NASA quiere utilizar el nitruro de galio en misiones donde la temperatura sea un impedimento como la superficie de Venus o Mercurio donde se pueden alcanzar temperaturas de 500 grados centígrados.
Esta eficiencia energética permitiría también reducir el consumo eléctrico de los grandes centros de procesamiento de datos y disminuir sustancialmente sus necesidades de refrigeración. Por desgracia, los investigadores a cargo del proyecto HOTTech para la NASA calculan que conseguirán resultados prometedores dentro de 10 años.
El motivo por el que el GaN está despuntando en otros sectores, pero no termina de sustituir al silicio en la fabricación de procesadores es porque el GaN es un cristal muy imperfecto y en los procesos de fabricación en los que se utiliza se detectan muchos más errores que con el silicio. Los semiconductores LED típicos pueden presentar entorno a 100.000 defectos por cm2, mientras que un cristal de silicio muestra 100 defectos por centímetro cuadrado.
A la hora de producir grandes obleas que luego debes cortar y convertir en procesadores, el silicio sigue siendo un material más fiable, por lo menos, hasta que se perfeccione la fabricación con nitruro de galio. Tenemos que tener en cuenta que el silicio se lleva trabajando en computación desde hace un siglo, mientras que en el año 2000, todavía nadie había conseguido un sustrato de GaN que tuviera menos de mil millones de defectos / cm2.
Para cuando el GaN tenga a sus espaldas la cantidad de inversión, investigación y desarrollo con los que ha contado todo este tiempo el silicio puede que estemos ante un verdadero candidato a revolucionar la industria tecnológica. Y para entonces, las grandes estrellas podrían ser los ordenadores cuánticos y la optoelectrónica que utilizan fotones para transportar la información. ¿Adivináis qué material es uno de los candidatos para formar los chips necesarios? El cristalino nitruro de galio.