Un equipo de la Universidad de Cornell, en Nueva York, creó un semiconductor con una banda prohibida de más de 7 electronvoltios (eV), la más ancha reportada hasta ahora en un dispositivo electrónico que funciona. El material podría servir para autos eléctricos, redes eléctricas y centros de datos más eficientes, según informó Interesting Engineering.
Es óxido de galio y aluminio dopado con silicio y crecido sobre zafiro. Darrell Schlom, profesor de ciencia de materiales de Cornell y autor principal del estudio, dijo que el hallazgo supera el récord anterior de 6 eV. Llegar sobre los 7 eV era difícil porque los materiales con bandas prohibidas más anchas suelen comportarse más como aislantes que como semiconductores.
"La primera reacción que escuché de mis amigos científicos fue 'eso es imposible'", contó Schlom. "Debo admitir que, al principio, el resultado sí parecía demasiado bueno para ser verdad".
Cómo se rompió la barrera
Los semiconductores están en casi todo lo que se enchufa, desde notebooks y teléfonos hasta microondas. Van en circuitos, diodos y transistores, y su banda prohibida define cuánta energía necesitan los electrones para moverse a través del material.
Una banda prohibida más ancha permite que el material resista campos eléctricos más intensos. Por eso sirve en aplicaciones de alto voltaje, donde cada punto de eficiencia cuenta. El problema de siempre fue ensanchar esa banda sin perder conductividad.
Para resolverlo, el equipo diseñó películas delgadas de óxido de galio y aluminio con una técnica llamada epitaxia de haces moleculares de subóxidos. Ese método construye materiales cristalinos capa por capa, en condiciones muy controladas.
Los investigadores también incorporaron átomos de silicio a una temperatura lo bastante baja. Esos átomos aportan los electrones móviles que transportan la corriente eléctrica, y el resultado final sorprendió al propio equipo.
A temperatura ambiente, el nuevo material conduce la electricidad al menos 100 millones de veces mejor que los materiales reportados antes con bandas prohibidas sobre 6 eV. El equipo además demostró que se puede usar en dispositivos electrónicos que funcionan.
¿Qué dispositivos se construyeron con el material?
Para probarlo, el equipo armó un diodo y un transistor de efecto de campo al que llamó AlphaFET. Las pruebas mostraron que la conductividad eléctrica se puede controlar tanto con el dopaje de silicio como con un campo eléctrico aplicado.
Según Huili Grace Xing, profesora de ciencia de materiales de la universidad que también participó en el proyecto, el dispositivo logró un cambio en la corriente eléctrica de más de cuatro órdenes de magnitud a través de su compuerta metálica.
"Fabricar un transistor nos permite demostrar al mismo tiempo un bloque esencial de los sistemas electrónicos y varias de las propiedades únicas del semiconductor", dijo Xing.
¿Por qué importa que crezca sobre zafiro?
El material se cultivó sobre zafiro, un sustrato que ya se produce a gran escala y que se consigue con facilidad. Eso podría hacerlo más fácil de fabricar que otros materiales de banda prohibida ultra ancha.
Debdeep Jena, profesor de ciencia de materiales de Cornell, dijo que falta trabajo para que el dispositivo sea práctico, pero calificó al nuevo semiconductor como una "plataforma que cambia las reglas del juego" para el futuro cercano.
Jena mencionó que el semiconductor podría mejorar autos eléctricos, aviones y centros de datos, y que tiene otras aplicaciones comerciales y de defensa.
"Los semiconductores de banda prohibida colosal también permitirán láseres de cascada cuántica relevantes para telecomunicaciones y dispositivos fotónicos de ultravioleta de vacío que no habían sido posibles hasta ahora", dijo en un comunicado de prensa.
El estudio fue publicado en la revista Nature.
