Universidad de Michigan logra récord mundial en densidad de electrones para semiconductores

El avance, realizado mediante epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PAMBE), representa un paso significativo en el desarrollo de semiconductores de alta potencia y podría conducir a dispositivos con mejor rendimiento térmico y aplicaciones en electrónica de banda ancha.

El equipo de investigación utilizó una barrera de AlN de 9 nanómetros de espesor para lograr esta densidad récord. "Este valor récord surge de un crecimiento MBE optimizado que presenta un control preciso de la tensión y una interfaz GaN/AlN atómicamente nítida", explicaron los investigadores según la publicación especializada.

Los semiconductores de potencia son componentes fundamentales en la electrónica moderna, especialmente en aplicaciones que requieren alta eficiencia energética como amplificadores de potencia de ondas milimétricas y módulos de front-end de radiofrecuencia.

Las estructuras HEMT (transistores de alta movilidad de electrones) laterales típicas generan un canal de gas de electrones bidimensional (2DEG) mediante el crecimiento de GaN no dopado y la adición de una capa de barrera, generalmente de nitruro de aluminio y galio (AlGaN). Sin embargo, según los investigadores, "AlN/GaN exhibe la mayor diferencia de polarización piezoeléctrica y espontánea entre los nitruros del grupo III, lo que permite una densidad de 2DEG récord y un fuerte confinamiento cuando la tensión se gestiona adecuadamente".

Para sus experimentos, el equipo utilizó una plantilla de GaN sobre zafiro de alta resistividad sobre la cual se volvió a crecer 100 nm de GaN junto con una barrera de AlN de espesor variable. La capa de plantilla de GaN fue dopada con vanadio para lograr una alta resistividad.

La heteroestructura fue recubierta con GaN para proteger el AlN de los procesos de degradación en la atmósfera, como la oxidación, a la que el material que contiene aluminio es particularmente propenso.

El método de crecimiento fue PAMBE a 600°C en condiciones ricas en metal para mejorar la coalescencia y la planarización de la superficie. "El exceso de metal mejora la movilidad de los adátomos, fomentando el crecimiento lateral y superficies de película más lisas", explicó el equipo.

La densidad máxima de 2DEG se obtuvo en la muestra con barrera de 9 nm: 1,3x10^14 cm². Sin embargo, la resistencia laminar más baja, que combina las tendencias de densidad y movilidad, fue de 166 Ω/□, obtenida para la muestra con barrera de 6 nm, "comparable a los valores de mayor rendimiento reportados para heteroestructuras AlN/GaN", según el equipo.

Un factor que afectó la resistencia laminar en la muestra con barrera de 9 nm fue la aparición de grietas, lo que indica una relajación parcial de la tensión. La muestra de 6 nm logró una densidad de 2DEG de 7,8x10^13 cm².

El equipo comentó: "La formación de grietas puede minimizarse optimizando aún más los parámetros de crecimiento y/o mediante ingeniería de tensión, como la epitaxia de área selectiva, de modo que la densidad de 2DEG excepcionalmente alta pueda ser completamente explotada en HEMTs de próxima generación, como Fin-HEMTs y dispositivos multicanal".

En un desarrollo paralelo que podría complementar estos avances, investigadores del Instituto de Ciencia de Tokio, la Corporación Mitsubishi Electric, la Universidad de Tsukuba y Quemix Corporation anunciaron el 14 de enero de 2026 que han logrado dilucidar por primera vez en el mundo cómo el hidrógeno produce electrones libres a través de la interacción con ciertos defectos en el silicio.

Según informó el Instituto de Ciencia de Tokio, este logro tiene el potencial de mejorar el diseño y la fabricación de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), haciéndolos más eficientes y reduciendo su pérdida de potencia. También se espera que abra posibilidades para futuros dispositivos que utilicen materiales de banda ultra ancha (UWBG).

En el impulso global hacia la neutralidad de carbono, los esfuerzos para hacer que la electrónica de potencia sea más eficiente y ahorre energía se están acelerando en todo el mundo. Los IGBT son componentes clave responsables de la conversión de energía, por lo que mejorar su eficiencia es una prioridad importante.

Mitsubishi Electric ha estado reduciendo la pérdida de potencia en IGBT y diodos de silicio combinando la implantación de iones de hidrógeno para la formación de capas tipo n y reduciendo el grosor de los sustratos de silicio. Por ejemplo, en un dispositivo de clase 1.200V, la compañía ha demostrado técnicamente reducciones en la pérdida total de potencia del 10% en IGBT y del 20% en diodos en comparación con sus productos de séptima generación.

Estos avances en semiconductores se complementan con investigaciones en el campo de la óptica no lineal. Según un artículo publicado en la revista OE Journal, la generación de segundo armónico inducida por campo eléctrico (EFISH) está emergiendo como un mecanismo efectivo para la nanofotónica no lineal eléctricamente sintonizable.

La generación de segundo armónico (SHG) es un proceso óptico no lineal fundamental ampliamente utilizado en fotónica; sin embargo, está estrictamente prohibido en el volumen de materiales centrosimétricos debido a su simetría de inversión. No obstante, la aplicación de un campo eléctrico externo rompe esta simetría de inversión e induce una respuesta no lineal efectiva de segundo orden conocida como efecto EFISH.

Este mecanismo permite SHG en medios centrosimétricos y proporciona un mecanismo efectivo para la nanofotónica no lineal eléctricamente sintonizable, con aplicaciones emergentes en dispositivos fotónicos sintonizables, sondeo de dinámica de portadores y modulación óptica no lineal en regímenes ópticos, electrónicos y de THz.