Nitruro de Galio: vector más destacado de la electrónica de potencia

La electrónica de potencia es una disciplina tecnológica ya madura, ya que está implantada en multitud de aplicaciones industriales, de transporte, de distribución, aeroespaciales, comerciales, domésticas, entre otros, desde hace ya varias décadas.

Pero esto no implica que no se sigan buscando nuevos avances, nuevos materiales, nuevos diseños optimizados, que conduzcan a dispositivos más confiables, más rápidos, más robustos, más eficientes, más económicos… Para ello es de vital importancia tener un acceso rápido y temprano a prototipos confiables, así como a la fabricación competitiva de tales dispositivos.

Entre el 80% y el 90% de las características competitivas diferenciadoras clave de, por ejemplo, los proveedores industriales y de movilidad de vanguardia, dependen de los componentes electrónicos de potencia y el software integrados. Uno de los proyectos de I+D más destacados en electrónica de potencia es el proyecto “PowerBase”, desarrollado por 39 entidades consorciadas (pequeñas y medianas empresas, institutos de investigación y universidades bien establecidas) de 9 países diferentes, y cuyos principales objetivos son:

• Optimizar los elementos de dopaje del nitruro de galio (GaN), con el fin de crear una poderosa base semiconductora que dispare la eficiencia de los circuitos electrónicos, lo que promete impulsar la fabricación de componentes más potentes y eficientes como LEDs y otros módulos utilizados en industrias como la energética, donde se aprovechan para construir y gestionar las redes de distribución eléctricas, lo mismo en electrónica de consumo.

• Expandir los límites de las tecnologías de potencia basadas en silicio en diámetros de oblea de 300 mm para optimizar las limitaciones actuales en la resistencia a la conexión de los dispositivos Trench-Power-MOSFET e IGBT y ampliar las capacidades de las líneas piloto de 300 mm ya instaladas.

• Impulsar la tecnología de dispositivos de potencia de nitruro de galio gracias a su rendimiento superior, buscando el límite absoluto de GaN en comparación con los enfoques actuales adoptados.

• Configurar la línea de producción piloto para GaN totalmente procesado en semiconductores de potencia portadora en un diámetro de oblea de 200 mm que coexista y sea compatible con las capacidades de fabricación de potencia CMOS.

• Desarrollar nuevos esquemas de integración que soporten altos niveles de integración y sustratos diseñados que permitan la fabricación de sistemas inteligentes y una mayor integración y aplicaciones Smart-Power compactas; configuración de líneas piloto de producción para integración (empaquetado) de chips de productos avanzados de potencia basados en nitruro de galio.

Una buena parte de las actividades de trabajo de este proyecto “Powerbase” son fundamentalmente labores de investigación centradas en las obleas de silicio, en la tecnología de dopaje del nitruro de galio, etc. Sin embargo hay otras centradas más en el desarrollo de las aplicaciones susceptibles de ser comercializables con los nuevos dispositivos desarrollados, fabricados en las diversas actividades de la línea piloto. Mediante el uso de los nuevos dispositivos, los sistemas inteligentes lograrán mayores eficiencias, mayores frecuencias de conmutación y mayores densidades de potencia. Algunas aplicaciones directas altamente beneficiosas serían: iluminación LED, inversor solar, conversión de energía para telecomunicaciones, cargador de batería y fuentes de alimentación compactas para sistemas de automatización…

Pero, ¿en dónde radica la importancia de este proyecto comentado? Pues fundamentalmente se basa en que la estimación de crecimiento del mercado global de tecnología basada en nitruro de galio (GaN) generará ingresos ordinarios de 2.600 millones de dólares anuales al 2022, convirtiéndose en un segmento en el que la cadena de suministro pondrá especial atención al ser sumamente fructífero.

En un estudio publicado por la empresa MarketsandMarkets se indica que este sector lleva registrando un incremento anual del 24,5% desde 2016, y continuará así hasta alcanzar ingresos históricos en 2022.

Por otra parte, en un estudio titulado: “Mercado de Dispositivos GaN de Potencia por Tecnología”, se indica que los tres campos que crecerán exponencialmente en cuanto a la demanda de más componentes GaN serán: comunicaciones, RADAR y aplicaciones inalámbricas, que serán parte fundamental para el despliegue de nuevas tecnologías como las del Internet de las Cosas, la ropa inteligente y los dispositivos de telecomunicación como smartphones, que requerirán un switcheo a frecuencias más altas.

Según MarketsandMakerts : “La tecnología de Nitruro de Galio sobre Silicio depositado en substratos altamente dopados creados al final del pasado siglo, facilitó la fabricación de diodos emisores de luz (LEDs) de alta luminosidad y brillo. Muchas otras tecnologías permitieron el diseño de LEDs orgánicos que derivaron en la introducción de diodos de color azul, púrpura, violeta, blancos y UV; del mismo modo el Nitruro de Galio hará posible una infinidad de innovación en la industria tecnológica”.

Tal y como pronostican algunos expertos, la siguiente gran tecnología que revolucionará la electrónica de potencia, tras el previsible boom de la GaN, serán las nanopartículas semiconductoras, también llamados Puntos Cuánticos (QD), que presuntamente harán posible una comunicación más efectiva y potente con mayores frecuencias.

Esta tecnología QD se encuentra en una fase de investigación, involucrando a una buena parte de la comunidad científica, ya que es considerada como una de las herramientas que contribuirán al despliegue de la llamada Cuarta Revolución Industrial, caracterizada por novedosos sistemas robóticos y comunicaciones más sofisticadas. Pero estas partículas necesitan trabajar en substratos con propiedades dieléctricas más apropiadas, aún en fase temprana de investigación. Y el nitruro de galio (GaN) es, sin embargo, una tecnología de desarrollo presente, y en plena fase de desarrollo competitivo, para la fabricación de dispositivos semiconductores con posibilidades de integración de los sistemas futuros de comunicación.

A nivel industrial y mundial, hay varios países que actualmente ya trabajan en alinear sus industrias para recibir activamente la producción de sistemas GaN, son:

• Japón, con compañías clave como Renesas Electronics, ROHM, Nichia, Chemical Corporation, Mitsubishi, Toshiba, NTT Advanced Technology, y Toyoda, las cuales poseen líneas de investigación y desarrollo para la manufactura y producción de semiconductores GaN.
• En Europa: Philips, Aixtron SE y AZZURO Semiconductors AG. Son las empresas, actualmente, más destacadas.
• En América: Texas Instruments, Cree Incorporated, RF Micro Devices Incorporated y NXP Semiconductor; Alemania.

En definitiva, el nitruro de galio (GaN) supondrá un importante acicate para toda la industria de la electrónica de potencia, al conseguir mayores densidades de potencia, crecientes  frecuencias de conmutación, y también mayores eficiencias energéticas.

Autor: José Javier Díez Vidal, docente del Máster en Electrónica Industrial, Automatización y Control.