La industria de los semiconductores y casi toda la electrónica actual están dominadas por el silicio. En transistores, chips de ordenador, y celdas solares, El silicio ha sido un componente estándar durante décadas. Pero todo esto puede cambiar pronto con nitruro de galio (GaN) emergiendo como un poderoso, incluso superior, alternativa. Aunque no es muy conocido, Los semiconductores de GaN han estado en el mercado de la electrónica desde la década de 1990 y a menudo se emplean en dispositivos electrónicos de potencia debido a su banda prohibida relativamente mayor que el silicio, un aspecto que lo convierte en un mejor candidato para aplicaciones de alto voltaje y alta temperatura. Es más, la corriente viaja más rápido a través de GaN, lo que garantiza menos pérdidas de conmutación durante las aplicaciones de conmutación.

No todo en GaN es perfecto, sin embargo. Si bien las impurezas suelen ser deseables en los semiconductores, las impurezas no deseadas a menudo pueden degradar su rendimiento. En GaN, Las impurezas como los átomos de carbono a menudo conducen a un rendimiento de conmutación más deficiente debido al atrapamiento de los portadores de carga en 'niveles profundos, 'niveles de energía creados por los defectos de impurezas en las capas de cristal de GaN y que se cree que se originan por la presencia de una impureza de carbono en un sitio de nitrógeno.

Una manifestación experimental curiosa de los niveles profundos es la aparición de una luminiscencia amarilla de larga duración en el espectro de fotoluminiscencia de GaN junto con un tiempo de recombinación de portador de carga prolongado informado por técnicas de caracterización como la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TR-PL) y el decaimiento de la fotoconductividad de microondas ( μ-PCD). Sin embargo, el mecanismo subyacente a esta longevidad no está claro.

En un estudio reciente publicado en Revista de física aplicada Científicos de Japón exploraron el efecto de los niveles profundos en el tiempo de caída de la luminiscencia amarilla y la recombinación del portador observando cómo las señales de TR-PL y μ-PCD cambiaban con la temperatura. "Solo después de comprender los impactos de las impurezas en los dispositivos semiconductores de potencia de GaN podemos impulsar el desarrollo de tecnologías de control de impurezas en el crecimiento de cristales de GaN, "dice el profesor Masashi Kato del Instituto de Tecnología de Nagoya, Japón, quien dirigió el estudio.

Los científicos prepararon dos muestras de capas de GaN cultivadas en sustratos de GaN, uno dopado con silicio y el otro con hierro. El dopaje involuntario de impurezas de carbono ocurrió durante el proceso de dopaje de silicio. Para las medidas TR-PL, el equipo registró señales para temperaturas de hasta 350 ° C mientras que para μ-PCD hasta 250 ° C debido a las limitaciones del sistema. Utilizaron un pulso de láser UV de 1 nanosegundo de duración para excitar las muestras y midieron la reflexión de las microondas de las muestras para μ-PCD.

Las señales TR-PL para ambas muestras mostraron un componente más lento (decaimiento) con un tiempo de decaimiento de 0.2-0.4 milisegundos. Adicionalmente, el uso de un filtro de paso largo con un corte a 461 nm confirmó que estaba involucrada la luz amarilla. En ambas muestras, y para mediciones de TR-PL y μ-PCD, el tiempo de decaimiento disminuyó por encima de 200 ° C, coherente con informes anteriores.

Para explicar estos hallazgos, los científicos recurrieron a cálculos numéricos, lo que reveló que los niveles profundos atrapaban esencialmente "huecos" (ausencia de electrones) que finalmente se recombinaron con electrones libres, pero tardaron mucho en hacerlo debido a la posibilidad extremadamente pequeña de que un electrón fuera capturado por el nivel profundo. Sin embargo, a altas temperaturas, los agujeros lograron escapar de la trampa y se recombinaron con los electrones a través de un canal de recombinación mucho más rápido, explicando la disminución del tiempo de descomposición.

"Para reducir los efectos del componente de descomposición lenta, debemos mantener una concentración baja de carbono o adoptar estructuras de dispositivos con inyecciones de orificios suprimidos, "dice el profesor Kato.

Con estas ideas, Quizás sea solo cuestión de tiempo antes de que los científicos descubran cómo evitar estos escollos. Pero con el ascenso al poder de GaN, ¿Será simplemente una mejor electrónica?

El profesor Kato piensa lo contrario. "GaN permite menores pérdidas de energía en los dispositivos electrónicos y, por lo tanto, ahorra energía. Creo que puede contribuir en gran medida a mitigar los efectos de invernadero y el cambio climático". ", concluye con optimismo. Estos hallazgos sobre las impurezas pueden ser los que nos lleven a un limpiador, futuro más verde!