Dopaje bipolar
El nuevo enfoque facilita el control de la conductividad reversible en los semiconductores
Se cree que el semiconductor óxido de galio es un candidato prometedor para su uso potencial en la electrónica de potencia. Hasta ahora, sin embargo, se han presentado varios obstáculos en su camino, especialmente cómo influir específicamente en la conductividad eléctrica del material. En un estudio publicado en la revista Scientific Reports, un equipo de investigadores en el que participan científicos del Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha demostrado ahora cómo la conductividad del óxido de galio en su forma más estable (β-Ga2O3) puede regularse mediante la incorporación controlada de hidrógeno en la red cristalina del semiconductor.
La incorporación de hidrógeno en el óxido de galio puede controlarse de tal manera que se creen zonas específicas con conductores n- y p.
HZDR/Juniks
Para el equipo de Bowling Green (Ohio), Dresden, Berkeley y Los Álamos el punto de partida de sus actividades fue una de las propiedades particularmente llamativas del material: el ancho de su banda de separación, que es una medida de la distancia energética entre la banda de valencia y la banda de conducción en un sólido. En los semiconductores a muy bajas temperaturas, es sólo la banda de valencia la que exhibe inicialmente los portadores de carga: el material es no conductor. Sin embargo, al introducir energía, pueden ser transferidos a la banda de conducción, permitiendo un flujo de corriente.
"Los expertos describen la brecha de la banda de óxido de galio como ultra-ancha", explica el Dr. Andreas Wagner, jefe de la División de Física Nuclear del HZDR y coautor del estudio. "Hace que el material sea particularmente atractivo para la electrónica de potencia porque promete aplicaciones en el rango de altas intensidades de campo eléctrico que inevitablemente destruirían los semiconductores establecidos hoy en día". Pero hay un inconveniente: el aumento de la energía de la brecha de la banda lleva a una disminución de la eficiencia de las técnicas de dopaje habituales.
Dopaje suave
Se trata de un proceso mediante el cual se incorporan átomos extraños a los semiconductores para liberar portadores de carga adicionales en la banda de conducción. Cuando se utilizan electrones, los científicos lo llaman n-doping o negativo-doping que luego conduce a la n- o p-conductividad. Sin embargo, la incorporación de átomos extraños introduce nuevos niveles de energía en el hueco de la banda, lo que puede afectar a la estructura de la banda del material y alterar seriamente las propiedades electrónicas del semiconductor. El dopaje con hidrógeno es otra cuestión: las propiedades electrónicas de los semiconductores originales permanecen prácticamente inalteradas, sólo aumenta la concentración de portadores de carga.
Los resultados de la investigación de los científicos demuestran una nueva forma de establecer el óxido de galio como material de origen de los transistores bipolares. En estos componentes semiconductores clásicos, las capas n y p se combinan de manera que se puede controlar un mayor flujo de corriente con la ayuda de una pequeña corriente de control. Pueden utilizarse en amplificadores e interruptores. Para producir las dos capas, normalmente se combinan dos materiales diferentes. El truco aquí es que los científicos pueden lograr el mismo resultado en un solo material incorporando el hidrógeno.
Hidrógeno: un tornillo de ajuste
Lo que los investigadores hacen es almacenar hidrógeno en la red cristalina del óxido de galio. Los cálculos químicos cuánticos han demostrado que las moléculas de hidrógeno en la superficie del óxido de galio se rompen inicialmente en fragmentos de hidrógeno cargados eléctricamente que son absorbidos en la superficie. A altas temperaturas se difunden en el cristal y ocupan las impurezas. Estos son los lugares en la red cristalina donde se encuentran los iones de galio y oxígeno en el material semiconductor. Pero faltan: en cambio, los huecos existentes están cargados positiva o negativamente dependiendo de la naturaleza de los bloques de construcción que faltan, lo que los hace de interés para los fragmentos de hidrógeno que también están cargados.
"Pudimos demostrar que esto no sólo nos permite cambiar el alcance de la conductividad, sino su propia naturaleza. Incorporar sólo un poco de hidrógeno hace que el material se comporte como un semiconductor dopado con p, mientras que añadir más hidrógeno hace que cambie al modo de conducción n", dice Andreas Wagner, resumiendo los resultados de la investigación.
Entre otras cosas, los científicos esperan ahora una drástica reducción del consumo de energía y de los costes de fabricación en la producción de componentes para la electrónica de potencia y la optoelectrónica. El principal problema hasta ahora era llevar el óxido de galio a la conducción p así como a la conducción n - gracias a su método de hidrógeno, los investigadores han alcanzado ahora este objetivo provisional.
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