En dispositivos de microelectrónica el intervalo de banda prohibida (en inglés bandgap) es un factor fundamental que determina la conductividad eléctrica de los materiales subyacentes. Las sustancias con grandes intervalos de banda prohibida son generalmente aislantes que no conducen bien la electricidad, y aquellas que tienen un intervalo más pequeño son semiconductores. Una clase más reciente de semiconductores, que disponen de un bandgap ultra ancho (UltraWide Bandgap – UWB), son capaces de funcionar a temperaturas y potencias mucho más altas que los chips convencionales basados en silicio, hechos con materiales de banda estrecha como el nitruro de galio (GaN) o el carburo de silicio (SiC).

En un nuevo estudio, publicado en el “Journal of Applied Physics” y  llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Florida, el U.S. Naval Research Laboratory y la Universidad de Corea, ofrece una perspectiva detallada de las propiedades, capacidades, limitaciones actuales y futuros desarrollos para uno de los compuestos UWB más prometedores, el Óxido de Galio (Ga2O3). 

El óxido de galio se está convirtiendo en un candidato viable para ciertas clases de electrónica de potencia con capacidades más allás de las tecnologías actuales gracias a sus características:  ultra ancho bandgap, dopaje controlado y la disponibilidad de sustratos de gran diámetro y relativamente económicos.

Este posee un ancho de banda extremadamente amplio de 4,8 eV, que empequeñece los solo 1,1 eV del silicio y supera los 3,3 eV exhibidos por el GaN y el SiC. Esta diferencia otorga al Ga2O3 la capacidad de soportar un campo eléctrico más grande. Además, el óxido de galio maneja la misma cantidad de voltaje en una distancia más corto, haciendo que sea ideal para producir transistores de alta potencia más pequeños y eficientes. 

«El óxido de galio ofrece a los fabricantes de semiconductores un sustrato altamente aplicable para dispositivos microelectrónicos», dijo Stephen Pearton, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Florida y autor del artículo. «El compuesto parece ideal para su uso en sistemas de distribución de energía que cargan automóviles eléctricos o convertidores que mueven electricidad a la red eléctrica desde fuentes de energía alternativas como turbinas eólicas».

Pearton y sus colegas también observaron el potencial del Ga2O3 como base para el desarrollo de transistores MOSFET. «Tradicionalmente, estos diminutos interruptores electrónicos están hechos de silicio para su uso en computadoras portátiles, teléfonos inteligentes y otros aparatos electrónicos», dijo Pearton. «Para sistemas como las estaciones de carga de automóviles eléctricos, necesitamos MOSFET que puedan operar a niveles de potencia más altos que los dispositivos basados ​​en silicio y ahí es donde la solución podría ser el óxido de galio».

Para lograr estos MOSFET avanzados, los autores determinaron que se necesitan dieléctricos de compuerta mejorados, junto con enfoques de gestión térmica que extraigan de manera más efectiva el calor de los dispositivos. Pearton concluyó que Ga2O3 no reemplazará a SiC y GaN como los siguientes materiales semiconductores primarios después del silicio, pero es más probable que desempeñe un papel en la extensión del rango de potencias y voltajes accesibles a los sistemas de banda ancha de última generación.

«La aplicación más prometedora podría ser como los rectificadores de alto voltaje en los sistemas de acondicionamiento y distribución de energía, como los automóviles eléctricos y los sistemas solares fotovoltaicos», concluyó.