Imágenes de microscopio de la estructura cristalina de óxido de galio tratada utilizadas para crear capas de tipo P estables. Crédito: Shimizu et al., 2025
El óxido de galio (GA₂O₃) es un material semiconductor que podría hacer que los dispositivos electrónicos sean mucho más eficientes en la energía que la tecnología actual basada en silicio. Los diodos electrónicos requieren que dos tipos de capas semiconductoras funcionen correctamente, capas de tipo negativo (de tipo N) y de tipo positivo (de tipo P).
Los científicos podrían producir de manera confiable las capas de óxido de galio de tipo N, pero lucharon por crear capas de tipo P estables porque la estructura cristalina del óxido de galio resiste naturalmente los átomos necesarios para estas capas. Esta limitación resultó en semiconductores de óxido de galio con problemas de bajo rendimiento y confiabilidad.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón han resuelto este desafío de fabricación y crearon los primeros diodos PN funcionales utilizando óxido de galio. Su método, publicado en el Revista de física aplicadaPermite el uso de óxido de galio para mejorar los semiconductores y los dispositivos de eficiencia energética. Además, estos nuevos diodos PN pueden transportar el doble de corriente eléctrica que los diodos anteriores de óxido de galio.
Búsqueda para producir una capa estable de óxido de galio de tipo P
Los diodos PN se realizan uniendo materiales de semiconductores de tipo P y tipo N que crea un punto de conexión que controla el flujo eléctrico. Estos diodos pueden manejar altos voltajes y se encuentran en la mayoría de los electrónicos. Sin embargo, los diodos PN a base de silicio actuales desperdician mucha energía como calor, especialmente en aplicaciones intensivas en energía, como vehículos eléctricos y redes de energía de energía renovable.
Los diodos PN de óxido de galio pueden manejar el doble de la capacidad actual de los dispositivos anteriores de óxido de galio y desperdiciar menos energía que los diodos a base de silicio. Esto los hace ideales para aplicaciones exigentes y se traduce en requisitos de enfriamiento disminuidos, una mejor eficiencia energética en sistemas de alta potencia y menores costos operativos.
Los materiales de semiconductores de potencia han avanzado de silicio (Si) a carburo de silicio (SIC), nitruro de galio (GaN) y óxido de galio (GA₂O₃), con cada generación alcanzando una mejor eficiencia y rendimiento eléctrico para aplicaciones de electrones de potencia. Crédito: Centro de ciencias de plasma a baja temperatura, ilustración de la Universidad de Nagoya del nuevo proceso de fabricación: implantación de iones de átomos de níquel, seguido de tratamiento con plasma a baja temperatura y recocido (calentamiento) de alta temperatura para crear capas de tipo P estables en óxido de galio. Crédito: Centro de ciencias de plasma a baja temperatura, Universidad de Nagoya
El problema era que la estructura cristalina del óxido de galio acepta fácilmente los átomos necesarios para crear capas de tipo N, pero rechaza los átomos necesarios para las capas de tipo P. Métodos anteriores para forzarlos en temperaturas fallidas o requeridas que destruyeron el material. Sin ambos tipos trabajando juntos, el óxido de galio se mantuvo limitado para aplicaciones prácticas.
Para abordar esto, los investigadores inyectaron átomos de níquel en la capa de óxido de galio disparando átomos individuales a alta velocidad en la superficie del material. Luego calentaron el material dos veces, primero a 300 ° C con radicales de oxígeno activados (átomos de oxígeno que se les ha dado energía extra usando tratamiento con plasma patentado) y luego a 950 ° C en gas oxígeno. Esto convirtió el níquel incrustado en óxido de níquel y lo integró adecuadamente con la estructura de cristal de óxido de galio.
Impacto e innovación futura
“Dado que este método utiliza equipos y procesos industriales estándar, se puede ampliar para la producción en masa”, destacó el profesor Masaru Hori del Centro de Ciencias de Plasma a baja temperatura en la Universidad de Nagoya. “Las implicaciones para futuras eficiencia energética y costos son sustanciales, particularmente para las industrias de vehículos eléctricos y de energía renovable”.
Se proyecta que el mercado de semiconductores de óxido de galio alcanzará los 14.9 mil millones de yenes anuales para 2035. Este nuevo proceso de fabricación resuelve un problema fundamental que previamente limitó las aplicaciones industriales.
Más información: Naohiro Shimizu et al, estudio de formación de capa de tipo P para GA2O3 empleando la implantación de implantación de iones Ni con plasma de oxígeno de dos pasos y recocido térmico, Journal of Applied Physics (2025). Doi: 10.1063/5.0282789
Proporcionado por la Universidad de Nagoya
Cita: los científicos producen semiconductores superiores de óxido de galio con capacidad de doble corriente (2025, 2 de septiembre) recuperado el 2 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-scientists-superior-gallium-semiconductors.html
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