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A medida que continúa la búsqueda de electrónica de potencia más eficiente, los semiconductores de banda prohibida ultra ancha están emergiendo como una frontera prometedora. Si bien el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) han impulsado avances considerables, los semiconductores basados en diamantes ofrecen un potencial teórico aún mayor. Este artículo explora las ventajas únicas y los desafíos actuales de los semiconductores de diamante, revisa los desarrollos recientes de dispositivos y destaca las aplicaciones prácticas, con opiniones de expertos de la industria, incluido Patrick Le Fèvre.
Al comparar las propiedades fundamentales de los materiales, como las del silicio, SiC, GaN y el diamante, el diamante destaca constantemente en varias áreas. Su banda prohibida más amplia contribuye a un campo eléctrico crítico más alto y a una resistencia a la ruptura mejorada. Diamond también exhibe una alta movilidad de graneleros, lo que ayuda a reducir las pérdidas de conducción y soportar una mayor densidad de corriente. Además, su baja constante dieléctrica permite reducir la pérdida de energía y la miniaturización del dispositivo, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia.
Otra característica destacada es la excepcional conductividad térmica del diamante, la más alta entre todos los materiales conocidos. Esta propiedad reduce la resistencia térmica, lo que permite una mayor densidad de potencia para un aumento de temperatura determinado y reduce el estrés termomecánico. Estos beneficios también hacen del diamante una opción convincente como material de sustrato térmico en sistemas de alta potencia.
Diamond ofrece varias otras ventajas que no se reflejan en las tablas de propiedades estándar. Por ejemplo, las superficies terminadas en hidrógeno facilitan el intercambio local de electrones en la banda de valencia, lo que lleva a la formación de un gas hueco bidimensional (2DHG). Este efecto es valioso para crear canales de alta movilidad en estructuras de transistores.
La electrónica Diamond también es inherentemente resistente a la radiación, lo que la hace adecuada para entornos especializados como instalaciones nucleares y sistemas espaciales. En aplicaciones de alta frecuencia, particularmente en los rangos de subterahercios y terahercios, la respuesta plasmónica del diamante dentro del 2DHG y su alto tiempo de relajación del momento del agujero ofrecen mayores beneficios de rendimiento.
La adopción más amplia de semiconductores de diamante se ha visto limitada por las dificultades para producir sustratos grandes y de alta calidad. El método de alta presión y alta temperatura (HPHT) puede producir cristales de diamante sintéticos de alta pureza, pero generalmente se limita a sustratos de tipo IIa de pequeño diámetro. Alternativamente, la deposición química de vapor (CVD) ofrece un camino más económico hacia sustratos más grandes, generalmente de hasta 2 a 3 pulgadas de diámetro. El diamante tipo Ib, comúnmente utilizado en electrónica, aún presenta densidades de defectos más altas en comparación con materiales establecidos como el SiC.
El crecimiento homoepitaxial de CVD se basa en capas de semillas de HPHT, mientras que los enfoques heteroepitaxiales utilizan sustratos extraños como el silicio recubierto de iridio o el SiC cúbico. Este último permite tamaños de oblea más grandes, pero a menudo introduce mayores niveles de defectos y tensión mecánica.
El dopaje es otro obstáculo importante. Aunque el boro permite una conductividad de tipo p en el diamante, sigue siendo difícil lograr altas concentraciones de dopantes sin degradar la calidad del cristal. Se han explorado el nitrógeno y el fósforo para el dopaje de tipo n, pero sus profundos niveles de energía hacen que la conducción efectiva de tipo n sea difícil de lograr a temperatura ambiente.
La terminación con hidrógeno ofrece otra vía de dopaje a través de la transferencia superficial, lo que permite la formación de 2DHG con una movilidad del portador de alrededor de 300 cm²/(V·s). Si bien esto es más bajo que los valores de diamantes en masa, permanece estable a pesar de las variaciones de temperatura.
En los dispositivos de diamante de conducción masiva, el aumento de temperatura conduce a concentraciones netas de portador más altas, lo que da como resultado un coeficiente de temperatura negativo (NTC) de resistencia en estado activo. Esta característica inusual reduce la pérdida de conducción a altas temperaturas, lo que le da al diamante una ventaja de eficiencia sobre SiC y GaN por encima de 400 a 450 K. Sin embargo, el comportamiento de NTC complica el paralelismo de dispositivos debido al riesgo de desequilibrio de corriente e inestabilidad térmica.
Resultados experimentales recientes resaltan el potencial del diamante:
Un diodo de barrera Schottky lateral tipo p alcanzó un voltaje de ruptura de 4.612 V utilizando una placa de campo de Al₂O₃.
Los p-MOSFET verticales basados en 2DHG con dieléctrico de puerta Al₂O₃ lograron una conducción de corriente superior a 1 A.
Se realizó un p-MOSFET en modo de mejora utilizando un tratamiento con ozono UV para modificar una superficie terminada en hidrógeno.
Los análisis teóricos, como uno de Donato et al., sugieren que un FET de diamante vertical de 1700 V podría ser 10 veces más pequeño y tener una pérdida de energía tres veces menor que los dispositivos WBG comparables en funcionamiento a alta temperatura y alta frecuencia.
A medida que avanzan los dispositivos de diamante, la confiabilidad en condiciones extremas sigue siendo un área de estudio crítica. Probablemente se necesitarán nuevos estándares de prueba para evaluar el desempeño a largo plazo. Aunque las propiedades térmicas del diamante pueden simplificar el diseño del disipador de calor, la integración de componentes de diamante con otros semiconductores, como dispositivos WBG de tipo n o controladores basados en silicio, exige un diseño térmico y de embalaje cuidadoso.
El accidente nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 puso de relieve la necesidad de contar con dispositivos electrónicos capaces de funcionar bajo radiación y temperatura extremas. En respuesta, la startup japonesa Ookuma Diamond Device, fundada en 2022 tras la colaboración en I+D en la que participaron varias instituciones de investigación nacionales, ha desarrollado un amplificador diferencial basado en MOSFET de diamante que funciona a 300 °C. Con rendimientos de laboratorio reportados que alcanzan el 90%, este ejemplo ilustra el potencial del diamante en aplicaciones en entornos hostiles del mundo real.
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