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Materiales electrónicos esenciales: Parte 4 - Compuestos de galio

1 Introducción

Los compuestos a base de galio, entre los que se incluyen el óxido de galio (Ga2O3), el arseniuro de galio (GaAs) y el nitruro de galio (GaN), han acaparado una gran atención en el campo de los materiales electrónicos y semiconductores debido a sus excepcionales propiedades físicas y químicas. Estos materiales presentan una amplia gama de características eléctricas, ópticas y térmicas que los hacen indispensables para las tecnologías avanzadas.

El óxido de galio (Ga2O3), con su banda prohibida ultraancha y su elevado campo eléctrico de ruptura, se perfila como un material prometedor para la electrónica de alta potencia, los fotodetectores ultravioleta y otras aplicaciones optoelectrónicas. Mientras tanto, el arseniuro de galio (GaAs), un semiconductor de banda prohibida directa con una movilidad de electrones superior y un rendimiento de alta frecuencia, ha sido durante mucho tiempo una piedra angular en dispositivos optoelectrónicos como láseres, LED y células fotovoltaicas. El nitruro de galio (GaN), conocido por su amplio bandgap, alta conductividad térmica y excelente eficiencia, ha revolucionado la electrónica de potencia y los sistemas de comunicación de alta frecuencia.

Las técnicas de síntesis de estos materiales -desde la deposición química de vapor y la epitaxia de haces moleculares hasta los innovadores procesos híbridos- desempeñan un papel fundamental en la consecución de la calidad cristalina y el rendimiento deseados. Dado que los compuestos de galio siguen impulsando los avances en las tecnologías de potencia, optoelectrónica y detección, comprender su estructura, propiedades y aplicaciones se ha convertido en algo vital tanto para los investigadores como para los profesionales de la industria.

Este artículo ofrece una visión general de las características estructurales, las propiedades físicas, los métodos de fabricación y las aplicaciones del Ga2O3, el GaAs y el GaN, destacando sus avances y perspectivas actuales en el panorama de los semiconductores, en rápida evolución.

2 Óxido de galio (Ga2O3)

El óxido de galio, de fórmula química Ga2O3, es un compuesto inorgánico de fórmula química Ga2O3. Se trata de un semiconductor de banda ancha con Eg=4,9eV, cuyas propiedades de conductividad y luminiscencia han llamado la atención durante mucho tiempo. El Ga2O3 es un material semiconductor de óxido transparente con amplias perspectivas de aplicación en dispositivos optoelectrónicos. Puede utilizarse como capa aislante en materiales semiconductores basados en Ga, como filtro UV y como detector químico de O2.

Fig. 1 Óxido de galio en polvo

2.1 Estructura cristalina del óxido de galio

Las cinco estructuras cristalinas del óxido de galio son β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 y ε-Ga2O3.

El β-Ga2O3, también conocido como óxido de galio monoclínico, tiene una estructura cristalina monoclínica con el grupo espacial P21 (a=12,203, b=5,671, c=6,524 y β=105,76). El β-Ga2O3 está formado por unidades de óxido de galio, que se caracterizan por una elevada movilidad de los electrones, una amplia brecha de energía directa y una buena estabilidad térmica. En la actualidad, el β-Ga2O3 se utiliza principalmente en los campos de los dispositivos semiconductores de alta potencia y los dispositivos optoelectrónicos del ultravioleta profundo.

El α-Ga2O3, también conocido como óxido de galio de sistema cristalino tetragonal, tiene una estructura cristalina de sistema cristalino tetragonal con grupo espacial C4V (a=12,22, c=5,86). El α-Ga2O3 es un excelente material óptico con alta transmitancia de luz y buena resistencia a la corrosión. Tiene una amplia gama de aplicaciones en campos como la optoelectrónica y las comunicaciones optoelectrónicas.

El γ-Ga2O3, también conocido como óxido de galio de sistema cristalino cúbico, tiene una estructura cristalina de sistema cristalino cúbico con el grupo espacial Ia3 (a=13,54). El γ-Ga2O3 tiene una alta transmitancia óptica, baja densidad de defectos y alta permeabilidad magnética, lo que lo convierte en un material potencial para su uso en dispositivos magneto-ópticos y detectores de UV.

El δ-Ga2O3, también conocido como óxido de galio de sistema cristalino ortorrómbico, tiene una estructura cristalina ortorrómbica con el grupo espacial Pnma (a=7,794, b=5,580, c=5,395). El δ-Ga2O3 es un material con un elevado bandgap, excelentes propiedades fotovoltaicas y buena estabilidad fisicoquímica, y tiene una amplia gama de aplicaciones.

El ε-Ga2O3, también conocido como óxido de galio con un sistema cristalino tripartito, tiene una estructura cristalina de un sistema cristalino tripartito con grupo espacial R3c (a=12,170, c=24,812). El ε-Ga2O3 es un material con alta movilidad de portadores y alta estabilidad térmica, y tiene buenas propiedades de respuesta a los rayos UV. En la actualidad, el ε-Ga2O3 se utiliza principalmente en detectores UV y en el campo de la electrónica de potencia.

Tabla 1 Comparación de diferentes estructuras de Ga2O3

β-Ga2O3

α-Ga2O3

γ-Ga2O3

δ-Ga2O3

ε-Ga2O3

Estructura cristalina

Sistema cristalino monoclínico

Sistema cristalino tetragonal

Sistema cristalino cúbico

Sistema cristalino ortogonal

Sistema cristalino tripartito

Grupo espacial

P21

C4V

Ia3

Pnma

R3c

Parámetros de la célula

a=12.203

b=5.671

c=6.524

β=105.76

a=12.22

c=5.86

a=13.54

a=7.794

b=5.580

c=5.395

a=7.794

b=5.580

c=5.395

Propiedades

Alta movilidad de electrones

Alta transmitancia luminosa

Alta transmitancia óptica

Alta banda prohibida

Alta movilidad de portadores

Amplia brecha de energía directa

Buena resistencia a la corrosión

Baja densidad de defectos

Excelentes propiedades optoelectrónicas

Alta estabilidad térmica del material

Buena estabilidad térmica

-

Alta permeabilidad magnética

Buena estabilidad fisicoquímica

Buenas características de respuesta a los rayos UV

Aplicaciones

Dispositivos semiconductores de alta potencia y dispositivos optoelectrónicos de ultravioleta profundo

Optoelectrónica y comunicaciones optoelectrónicas

Uso potencial en dispositivos magneto-ópticos y dispositivos detectores de UV

-

Detectores ultravioleta, electrónica de potencia

2.2 Propiedades físicas y químicas del óxido de galio

El Ga2O3 puede reaccionar con gas flúor para producir GaF3, y el Ga2O3 disuelto en HF al 50% da el producto GaF3-3H2O.El Ga2O3 es soluble en ácido nítrico diluido ligeramente caliente, ácido clorhídrico diluido y ácido sulfúrico diluido. Después de quemado, el Ga2O3 no es soluble en estos ácidos, ni siquiera en ácido nítrico concentrado, ni en soluciones acuosas de bases fuertes, y sólo puede hacerse soluble fundiendo NaOH, KOH, o KHSO4 y K2S2O7 juntos. El cloruro de galio se produce fundiendo con el doble de exceso de NH4Cl a 250°C. Al rojo vivo, el Ga2O3 reacciona con el cuarzo para formar un cuerpo vítreo, pero no se forman nuevos compuestos al enfriarse. También reacciona con crisoles de porcelana esmaltada al rojo vivo.

En condiciones de calentamiento, el Ga2O3 puede reaccionar con muchos óxidos metálicos. Se ha determinado la estructura cristalina del galato M(I)GaO2 obtenido por reacción con óxidos de metales alcalinos (por encima de 400°C) y, al igual que el Al2O3 y el Ln2O3, reacciona con MgO, ZnO, CoO, NiO y CuO para formar el M(II)Ga2O4 de tipo espinela. El producto de la reacción con los óxidos metálicos trivalentes, M(III)GaO3, suele tener estructuras de tipo calcosina o granate (por ejemplo, el galato de lantánido LnGaO3). También existen óxidos ternarios más complejos. Los óxidos mixtos de galio se han estudiado para su uso en láseres, fosforescencia y materiales luminiscentes. Se cree que las propiedades luminiscentes de las sales de galio se atribuyen a las vacantes de oxígeno. Dado que el FeGaO3 posee interesantes propiedades electromagnéticas (piezoelectricidad y ferromagnetismo), su síntesis, estabilidad y estructura cristalina han sido objeto de numerosos estudios.

Como material semiconductor, el óxido de galio tiene una banda prohibida ultraancha, con una intensidad de campo eléctrico de ruptura muy superior a la de otros materiales semiconductores de banda ancha. Su resistencia a la conexión es menor al mismo nivel de tensión, lo que reduce la pérdida de energía. Aunque la conductividad térmica del óxido de galio en sí es baja, el problema de la disipación del calor puede resolverse mediante encapsulación y otros medios, lo que contribuye al funcionamiento estable del dispositivo a alta densidad de potencia. Los dispositivos de óxido de galio también pueden funcionar a temperaturas más elevadas y se adaptan a entornos difíciles.

2.3 Preparación del óxido de galio

1. Método de reducción directa: Este método obtiene nitruro de galio haciendo reaccionar nitrógeno con galio metálico, y luego se oxida a óxido de galio en oxígeno. Este método puede obtener óxido de galio de pureza relativamente alta, pero el proceso es complicado, necesita un entorno de alta temperatura y alta presión, y el coste de producción es elevado.

2. 2. Métodode deposición química de vapor: Este método prepara óxido de galio de alta pureza transportando una mezcla de gases a una cámara de reacción, donde se produce una reacción química a alta temperatura. Entre los gases de reacción utilizados habitualmente se encuentra el tricloruro de galio (GaCl3).

3. Método ácido: Este método consta de los siguientes pasos

  • Oxidación: añadir materia prima líquida al reactor, añadir agua regia gota a gota y agitar, controlar la temperatura a 80-85℃, tiempo de reacción de 8±1 horas.
  • Neutralización: La solución generada de Ga(NO3)3 y GaCl3 se introduce en el tambor de reacción, se añade amoníaco y se agita para neutralizar a pH 7-7,5, y la temperatura del baño de agua se controla a 60-70℃.
  • Filtración: La solución después de la reacción de neutralización se filtró a través de una tela filtrante para obtener el precipitado de hidróxido de galio.
  • Lavado: El precipitado de hidróxido de galio se lava 5-6 veces con agua de gran pureza y luego se filtra.
  • Secado: Después del lavado, el hidróxido de galio se introduce en la estufa de secado para secar el agua, la temperatura de secado es de 150℃, y el tiempo de secado es de 20±2 horas.
  • Tostado: Después del secado, el hidróxido de galio se coloca en el horno de tostado para tostar y deshidratar, la temperatura de tostado es de 600-700℃, y el tiempo de tostado es de 3±0,5 horas.
  • Molienda: Después del tostado, el óxido de galio es molido por un molino para alcanzar la malla requerida.
  • Envasado: Los productos se envasan al vacío en el almacén.

2.4 Aplicaciones del óxido de galio

1. Electrónica de potencia

El óxido de galio tiene una intensidad de campo eléctrico de ruptura de hasta 8MV/cm, muy superior a la de otros materiales semiconductores de banda ancha, lo que le confiere una ventaja significativa en escenarios de aplicación de alta tensión, alta frecuencia y alta potencia. También presenta una menor resistencia a la conexión al mismo nivel de tensión, lo que reduce la pérdida de energía y mejora la eficiencia de conversión energética. Aunque el óxido de galio en sí tiene una baja conductividad térmica, el problema de la disipación del calor puede resolverse mediante encapsulación y otros medios, lo que contribuye al funcionamiento estable del dispositivo a altas densidades de potencia. Al mismo tiempo, los dispositivos de óxido de galio pueden funcionar a temperaturas más elevadas y adaptarse a entornos difíciles. Por lo tanto, el óxido de galio tiene una amplia gama de perspectivas de aplicación en el campo de los dispositivos electrónicos de potencia, como los sistemas de accionamiento de motores para vehículos eléctricos y los sistemas de transmisión de CC de alta tensión para redes inteligentes.

2. Dispositivos optoelectrónicos

Detector ultravioleta: El óxido de galio tiene un gran potencial de aplicación en el campo de la optoelectrónica, se puede utilizar para fabricar detectores ultravioleta de alto rendimiento con alta sensibilidad y respuesta rápida. Estos detectores desempeñan un papel importante en la vigilancia del medio ambiente, la biomedicina y otros campos, como la detección de la concentración de ozono en la atmósfera y el contenido orgánico del agua.

Diodo emisor de luz (LED) UV profundo: La estructura especial de la banda de energía del material de óxido de galio le permite emitir luz ultravioleta profunda con una longitud de onda más corta y una energía más alta, lo que tiene un efecto de esterilización más significativo. Por lo tanto, el LED ultravioleta profundo tiene una amplia gama de aplicaciones en esterilización y procesos de fabricación de semiconductores, como la fotolitografía.

Fig. 2 Comparación de las aplicaciones de SiC, GaN y Ga2O3

3. El sensor

Las propiedades químicas y eléctricas especiales del material semiconductor de óxido de galio le confieren una amplia gama de aplicaciones en el campo de los sensores. Se puede utilizar para fabricar sensores de humedad, sensores de temperatura, sensores de gas, sensores de presión y otros sensores para satisfacer las necesidades de diferentes campos.

4. Otras aplicaciones

Además de los campos anteriores, el material semiconductor de óxido de galio también tiene aplicaciones en otros campos. Por ejemplo, puede utilizarse para fabricar dispositivos de visualización flexibles, materiales para baterías, etc. Además, con el progreso continuo de la tecnología y la reducción de costes, el óxido de galio también está ampliando gradualmente su aplicación en el campo de la radiofrecuencia, como los sistemas de radar, las comunicaciones por satélite y las estaciones base inalámbricas.

3 Arseniuro de galio(GaAs)

El arseniuro de galio es un compuesto inorgánico de fórmula química GaAs, un sólido negro-grisáceo con un punto de fusión de 1.238°C. Se puede encontrar en el aire por debajo de 600°C. Puede encontrarse en aire por debajo de 600°C y no es atacado por ácidos no oxidantes. Puede estabilizarse en el aire por debajo de 600°C y no es erosionado por los ácidos no oxidantes. El arseniuro de galio es un importante material semiconductor. Pertenece a los semiconductores compuestos Ⅲ-V. Es una estructura reticular de tipo esfalerita, constante reticular 5,65 × 10-10m, anchura de banda prohibida 1,4 eV.

3.1 Estructura cristalina del arseniuro de galio

La estructura cristalina del arseniuro de galio pertenece al sistema cristalino cúbico, estructura cúbica centrada en la cara (FCC), los átomos de Ga están situados en el vértice de la red cúbica centrada en la cara, los átomos de As están situados en las posiciones centradas en la cara de los átomos de Ga vecinos, y los átomos de Ga y As están interconectados entre sí mediante enlaces covalentes, lo que hace que el arseniuro de galio tenga propiedades de conducción electrónica. La constante de red del cristal de GaAs es a=5,6535Å.

Fig. 3 Estructura cristalina del arseniuro de galio

3.2 Propiedades físicas y químicas del arseniuro de galio

El GaAs tiene algunas propiedades electrónicas mejores que el Si, lo que permite utilizarlo por encima de 250 GHz. Si los componentes equivalentes de GaAs y Si funcionan a altas frecuencias, el GaAs produce menos ruido. Además, como el GaAs tiene una tensión de colapso más alta, es más adecuado para el funcionamiento a alta potencia que el mismo componente de Si. Gracias a estas características, los circuitos de GaAs pueden utilizarse en teléfonos móviles, comunicaciones por satélite, enlaces punto a punto de microondas, sistemas de radar, etc. El GaAs se ha utilizado para fabricar diodos Gann, diodos de microondas y diodos Geng para emitir microondas.

Tabla 2 Propiedades físicas del arseniuro de galio

Densidad

5,31g/cm3

Punto de fusión

1238℃

Índice de refracción

3.57

Permitancia relativa

13.18

Energía de afinidad de electrones

4,07 eV

Energía de red

5.65×10-10m

Brecha de banda

1,424e(300K)

Movilidad de electrones

8500cm2/(V-s)(300K)

Aspecto

Sólido negro-gris

3.3 Preparación del arseniuro de galio

1. Solidificación de gradiente vertical (VGF): es el proceso principal para la producción de obleas de GaAs, mediante el crecimiento de cristales individuales en un horno de solidificación de gradiente vertical, este método produce cristales de mayor calidad.

2. 2. Método de encapsulación líquida por extracción (LEC): El método LEC es el principal proceso para cultivar monocristales de GaAs no dopados semi-aislados, más del 80% de los monocristales de GaAs semi-aislados del mercado utilizan este método. El método LEC utiliza calentadores de grafito y crisoles de PBN, B2O3 como agente de sellado líquido, y el crecimiento de los cristales se lleva a cabo en un entorno de argón de 2MPa. Este método produce cristales de gran fiabilidad y buenas propiedades semi-aislantes, pero la dosificación química es más difícil de controlar y la densidad de dislocaciones es mayor.

3. Método Bridgman Horizontal (HB): Este método fue en su día el principal proceso para la producción en masa de monocristales semiconductores de GaAs, utilizando botes de cuarzo y tubos de cuarzo cultivados a presión atmosférica. La ventaja del método HB es que el gradiente de temperatura es pequeño y la densidad de dislocaciones es baja, pero es difícil cultivar monocristales de GaAs no dopados y semiaislantes, y la interfaz cristalina tiene forma de D, lo que supone un desperdicio de materiales.

4. Deposición química en fase vapor (CVD): Las películas delgadas de GaAs se generan mediante la reacción de precursores gaseosos a altas temperaturas, que es uno de los métodos más utilizados para hacer crecer monocristales de GaAs de alta calidad.

3.4 Aplicaciones del arseniuro de galio

1. Campo de las microondas: El arseniuro de galio se utiliza ampliamente en el campo de las microondas, principalmente en la fabricación de dispositivos de alta frecuencia, como transistores de efecto de campo de alto potencial (HEMT), transistores de efecto de campo de bajo potencial (LEMT), transistores bipolares, circuitos integrados frontales de radiofrecuencia de óxido metálico-semiconductor complementario (CMOS), etc. Estos dispositivos desempeñan un papel importante en la tecnología inalámbrica. Estos dispositivos desempeñan un papel importante en las comunicaciones inalámbricas y los sistemas de radar.

2. Campo de la optoelectrónica: el arseniuro de galio es un excelente material de conversión fotoeléctrica que se utiliza en la fabricación de láseres semiconductores de alta velocidad, células solares de bajo consumo, fotodetectores e interruptores fotoeléctricos. Debido a sus características de banda prohibida directa, el arseniuro de galio en el campo de la optoelectrónica es particularmente prominente, puede saltar directamente al estado excitado, adecuado para la producción de LED (diodo emisor de luz) y láseres, como el VCSEL (láser emisor de superficie de cavidad vertical), es ampliamente utilizado en las comunicaciones de fibra óptica de centros de datos de corta distancia y el reconocimiento facial TOF y otras tecnologías.

3. Campo de la comunicación: En el campo de la comunicación, el GaAs se utiliza ampliamente en la comunicación por fibra óptica en el receptor óptico, el amplificador óptico, el modulador óptico y otros dispositivos. Sus características de alta frecuencia, alta movilidad de electrones y bajo ruido lo convierten en una opción ideal para la comunicación por fibra óptica.

4. Campo de las células solares: Las células solares de GaAs tienen una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica y estabilidad, y se consideran la próxima generación de materiales eficientes para células solares. Su alta eficiencia de conversión fotoeléctrica y su estabilidad térmica hacen que sea ampliamente estudiado y aplicado en el campo de las células solares.

5. Microelectrónica: En el campo de la microelectrónica, el GaAs se utiliza en circuitos de alta velocidad, memorias flash, transistores de potencia, conjuntos ópticos planares y otros dispositivos. Su elevada movilidad de electrones y sus características de banda prohibida ancha hacen que funcione bien en dispositivos electrónicos de alta velocidad.

4 Nitruro de galio(GaN)

La investigación y aplicación de materiales de GaN es el actual frente mundial de investigación de semiconductores y punto caliente, es el desarrollo de dispositivos microelectrónicos, dispositivos optoelectrónicos, nuevos materiales semiconductores, y con SiC, diamante, y otros materiales semiconductores, conocidos como la primera generación de Ge, Si materiales semiconductores, la segunda generación de GaAs, InP compuestos materiales semiconductores después de la tercera generación de materiales semiconductores. Tiene las propiedades de banda prohibida directa amplia, fuertes enlaces atómicos, alta conductividad térmica, buena estabilidad química (difícilmente corroído por cualquier ácido), y una fuerte resistencia a la irradiación, y tiene una amplia perspectiva en optoelectrónica, dispositivos de alta potencia de alta temperatura, y aplicaciones de dispositivos de microondas de alta frecuencia.

Fig. 4 Nitruro de galio en polvo

4.1 Estructura cristalina del nitruro de galio

Elnitruro de galio (GaN) es un material semiconductor con una estructura cristalina formada por una red de átomos de galio y nitrógeno. Los cristales de nitruro de galio tienen una estructura de sistema cristalino cúbico, y sus celdas contienen una disposición de átomos con una estructura hexagonal de paquete cerrado.

La estructura reticular de los cristales de nitruro de galio puede describirse como que cada átomo de galio está rodeado por cuatro átomos de nitrógeno, y cuatro átomos de galio rodean también a cada átomo de nitrógeno. Esta estructura se conoce como estructura de esfalerita o estructura de alqueno helicoidal, que consiste en una disposición alternante de enlaces covalentes e iónicos formados por átomos de galio y nitrógeno.

En la estructura del nitruro de galio, los átomos de nitrógeno forman enlaces covalentes con los átomos de galio circundantes, y estos enlaces covalentes confieren al cristal una estructura estable. Al mismo tiempo, los átomos de nitrógeno aceptan electrones de los átomos de galio, formando iones positivos y negativos en el cristal de nitruro de galio. Esta combinación de enlaces covalentes e iónicos confiere al nitruro de galio una buena movilidad de electrones y propiedades ópticas.

Además, la red de los cristales de nitruro de galio contiene a menudo átomos de impurezas, como silicio y carbono, etc. El dopaje de estos átomos de impureza puede modular las propiedades eléctricas y ópticas del nitruro de galio, haciéndolo adecuado para diferentes aplicaciones.

Fig. 5 Estructura cristalina del nitruro de galio

4.2 Propiedades del nitruro de galio

El GaN es un compuesto extremadamente estable y un material duro de alto punto de fusión, con un punto de fusión de unos 1700°C. El GaN tiene un alto grado de ionización, que es el más alto entre los compuestos III-V (0,5 o 0,43). A presión atmosférica, los cristales de GaN suelen tener una estructura de zincita fibrilada hexagonal. Tiene cuatro átomos en una protocélula con un volumen atómico aproximadamente la mitad que el del GaAs. Por su dureza, es otro buen material para la protección de revestimientos.

Brecha energética y estructura electrónica: La mayor brecha energética del nitruro de galio (unos 3,4 eV) le confiere una gran transparencia en la región visible, fundamental para dispositivos optoelectrónicos como LED y láseres. Sus propiedades de banda prohibida directa implican que la conservación de la energía y el momento se mantiene cuando los electrones saltan, lo que ayuda a mejorar la eficiencia de los dispositivos optoelectrónicos. La estructura electrónica del GaN también determina su movilidad electrónica y sus propiedades de transporte de portadores, que son fundamentales para las características de velocidad y potencia del dispositivo.

Propiedades mecánicas: El nitruro de galio tiene una dureza elevada, cercana a la del zafiro (alrededor de 9 en la escala de dureza de Mohs), lo que lo hace resistente a cierto grado de tensión mecánica y arañazos. Su elevado módulo de elasticidad hace que el nitruro de galio sea más resistente y estable en las aplicaciones, capaz de soportar cierto grado de presión y tensión externas.

Propiedades térmicas: El nitruro de galio tiene una excelente conductividad térmica, que es alta en relación con otros materiales semiconductores. Esta elevada conductividad térmica permite a los dispositivos de nitruro de galio disipar eficazmente el calor durante el funcionamiento, reduciendo los gradientes de temperatura y mejorando el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo. Además, el coeficiente relativamente pequeño de expansión térmica del nitruro de galio significa que es menos susceptible a los cambios dimensionales y a la deformación durante los cambios de temperatura, lo que ayuda a mantener la estabilidad estructural del dispositivo.

Propiedades ópticas: El nitruro de galio tiene una gran transparencia y un bajo coeficiente de absorción en la región visible, lo que le permite lograr una conversión eficiente de la energía en dispositivos optoelectrónicos como los LED y los láseres. Su elevado índice de refracción permite al nitruro de galio lograr un acoplamiento óptico eficaz, aumentando así la eficacia luminosa y la potencia de salida de los dispositivos optoelectrónicos.

Estabilidad química: El nitruro de galio tiene una buena estabilidad química y es resistente a muchas reacciones químicas comunes de corrosión y oxidación, como ácidos, álcalis y disolventes. Esto permite al nitruro de galio mantener un rendimiento estable en diversas condiciones ambientales adversas, como altas temperaturas, alta humedad y entornos de gases corrosivos.

Rendimiento electrónico: El nitruro de galio tiene una excelente movilidad de electrones, normalmente en el rango de varios cientos a varios miles de cm2/(V-s), lo que le confiere un excelente rendimiento en electrónica de alta frecuencia y alta potencia. Su elevada movilidad electrónica y su alta velocidad de deriva de saturación permiten que los dispositivos de nitruro de galio tengan una baja resistencia a la conexión y altas velocidades de conmutación para aplicaciones de alta velocidad y alta frecuencia.

4.3 Preparación del nitruro de galio

El crecimiento del material GaN se realiza mediante la reacción química entre el Ga descompuesto del TMGa y el NH3 a alta temperatura, con la ecuación de reacción reversible:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

El crecimiento del GaN requiere una determinada temperatura de crecimiento y una determinada presión parcial de NH3. Los métodos que se suelen utilizar son el MOCVD convencional (incluyendo APMOCVD y LPMOCVD), el MOCVD mejorado por plasma (PE-MOCVD) y el MBE asistido por resonancia de ciclotrón electrónico. La temperatura requerida y la presión parcial de NH3 se reducen secuencialmente. Un estudio indicó que el equipo utilizado era AP-MOCVD con un reactor horizontal y modificaciones especiales de diseño, utilizando TMGa de alta pureza de producción nacional y NH3 como materiales del programa fuente, DeZn como fuente de dopaje de tipo P, zafiro (0001) con silicio (111) como sustrato utilizando calentamiento por inductancia de alta frecuencia, silicio de baja resistencia como generador de calor, y H2 de alta pureza como gas portador para la fuente de MO. Se utilizó N2 de gran pureza como acondicionador de la zona de crecimiento. Como caracterización cualitativa del GaN se utilizaron medidas HALL, difracción de bicristales y espectroscopia PL a temperatura ambiente.

4.4 Aplicaciones del Nitruro de Galio

1. Nuevos dispositivos electrónicos

La serie de materiales de GaN con baja tasa de generación de calor y alto campo eléctrico de ruptura es un material importante para el desarrollo de dispositivos electrónicos de alta temperatura y alta potencia y dispositivos de microondas de alta frecuencia. En la actualidad, con el progreso de la tecnología MBE en la aplicación de materiales de GaN y el avance de la tecnología clave de crecimiento de películas finas, se han cultivado con éxito diversas heteroestructuras de GaN. Se han preparado nuevos tipos de dispositivos a partir de materiales de GaN, como los transistores de efecto de campo metálicos (MESFET), los transistores de efecto de campo de heterounión (HFET), los transistores de efecto de campo dopados con modulación (MODFET), etc. La estructura AlGaN/GaN dopada con modulación tiene una alta movilidad de electrones (2000cm2/v-s), una alta velocidad de saturación (1 × 107cm/s), y una baja constante dieléctrica, es la producción de dispositivos de microondas de materiales prioritarios; GaN ancho de banda prohibido más amplio (3,4eV) y zafiro y otros materiales para el sustrato, el rendimiento de disipación de calor es bueno, propicio para el trabajo del dispositivo en condiciones de alta potencia.

2. Dispositivos optoelectrónicos

La serie de materiales GaN es un material ideal para dispositivos emisores de luz de longitud de onda corta, y la banda prohibida del GaN y sus aleaciones cubre el rango espectral del rojo al ultravioleta. Desde el desarrollo de los LED azules de GaN de homojunción en Japón en 1991, se han introducido los LED azules ultrabrillantes de doble heterounión de InGaN/AlGaN y los GaNLED de pozo cuántico único de InGaN. En la actualidad, los LED azules y verdes de GaN de pozo cuántico único Zcd y 6cd han entrado en la fase de producción en masa, llenando así el vacío de LED azules existente en el mercado desde hace muchos años. Los dispositivos emisores de luz azul tienen un enorme mercado de aplicación en los campos del acceso a la información de los discos ópticos de alta densidad, las pantallas totalmente ópticas y las impresoras láser. Con el trabajo de investigación y desarrollo de materiales y dispositivos de nitruro de Ⅲ, que sigue profundizándose, se ha comercializado la tecnología de LED azul y verde ultraalto de GaInN, y ahora las principales empresas e institutos de investigación del mundo han realizado grandes inversiones para sumarse a la competición por desarrollar el LED azul.

3. Sensores

El nitruro de galio puede utilizarse para fabricar sensores de presión muy precisos y sensibles. Las propiedades eléctricas del nitruro de galio cambian cuando se aplica presión externamente, y la presión puede medirse midiendo parámetros como su resistencia, capacitancia o efecto de campo. Las propiedades térmicas de los materiales de nitruro de galio los hacen adecuados para fabricar sensores de alta temperatura. El nitruro de galio tiene una excelente estabilidad y conductividad térmica en entornos de alta temperatura y puede utilizarse para fabricar sensores de alta temperatura, como sensores de temperatura de motores de automóviles y sensores de monitorización de procesos de alta temperatura. También puede utilizarse para fabricar sensores de gas. La superficie del nitruro de galio tiene una buena inercia química y puede tener reacciones químicas específicas con muchos gases, por lo que puede utilizarse para detectar la concentración de gases específicos, como óxidos de nitrógeno, amoníaco, etc., utilizando sus propiedades químicas superficiales. Debido a las excelentes propiedades ópticas del nitruro de galio, su aplicación en sensores ópticos puede realizar mediciones de alta precisión de parámetros como la intensidad, la longitud de onda y la dirección de la luz. Mediante la modificación específica de biomoléculas con la superficie de los materiales de nitruro de galio, se puede realizar una detección de alta sensibilidad y selectividad de biomoléculas, como ADN, proteínas, células, etc.

Fig. 6 Aplicaciones del nitruro de galio

5 Conclusiones

Los compuestos basados en el galio, incluidos el Ga2O3, el GaAs y el GaN, representan una piedra angular de la moderna tecnología de semiconductores debido a sus notables propiedades eléctricas, ópticas y térmicas. Cada material posee sus propios puntos fuertes: el Ga2O3 destaca en aplicaciones de alta potencia y alto voltaje gracias a su banda prohibida ultraamplia y su elevado campo eléctrico de ruptura, mientras que el GaAs sigue siendo uno de los principales materiales para dispositivos optoelectrónicos y de alta velocidad por su elevada movilidad de electrones y su banda prohibida directa. Al mismo tiempo, el GaN ha transformado la electrónica de potencia y los sistemas de comunicación de alta frecuencia gracias a su robustez, eficiencia y amplio rango operativo.

El desarrollo de técnicas de síntesis avanzadas, como la deposición química de vapor, la epitaxia de haces moleculares y otros métodos de fabricación a medida, ha permitido controlar con precisión la calidad del material, allanando el camino para aplicaciones innovadoras en todos los sectores. Desde la conversión de energía y la detección ultravioleta hasta la comunicación 5G y los sistemas de energías renovables, los compuestos de galio están impulsando el progreso tecnológico y respondiendo a la creciente demanda de dispositivos de alto rendimiento y eficiencia energética.

A medida que continúen la investigación y el desarrollo, se espera que estos materiales superen los desafíos existentes, como la gestión térmica y la escalabilidad, a través de la ingeniería de materiales y la integración con tecnologías emergentes. Los compuestos a base de galio seguirán estando a la vanguardia de la innovación, apuntalando futuros avances en electrónica, optoelectrónica y otros campos.

Stanford Advanced Materials (SAM) es un proveedor clave de materiales de germanio de alta calidad, que respalda estas aplicaciones críticas con soluciones de materiales fiables.

Más información:

Materiales electrónicos esenciales: Parte 1 - Silicio

Materiales electrónicos esenciales: Parte 2 - Carburo de silicio

Materiales electrónicos esenciales: Parte 3 - Germanio

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Chin Trento

Chin Trento tiene una licenciatura en química aplicada de la Universidad de Illinois. Su formación educativa le proporciona una base amplia desde la cual abordar muchos temas. Ha estado trabajando en la redacción de materiales avanzados durante más de cuatro años en Stanford Advanced Materials (SAM). Su principal objetivo al escribir estos artículos es proporcionar un recurso gratuito, pero de calidad, para los lectores. Agradece los comentarios sobre errores tipográficos, errores o diferencias de opinión que los lectores encuentren.

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