Un nuevo enfoque para el nitruro de galio podría elevar los límites de tensión de la electrónica de potencia, mejorar la eficiencia y permitir sistemas más compactos tanto para vehículos eléctricos como para energías renovables e infraestructura de inteligencia artificial.
Investigadores del POWERlab de la EPFL, en Suiza, desarrollaron un diseño de dispositivo de potencia de nitruro de galio, o GaN, que demostró tensiones de ruptura superiores a 3,9 kV. El resultado abre la puerta a llevar esta tecnología hacia aplicaciones de mayor tensión y ataca una limitación central que hasta ahora mantenía a la electrónica de GaN restringida a rangos de tensión más bajos.
¿Cómo lograron subir la tensión?
El equipo recurrió a las propiedades de polarización natural del nitruro de galio en vez de apoyarse en materiales dopados de manera intencional para equilibrar la carga eléctrica. Al diseñar las capas de modo de crear láminas estrechamente equiparadas de electrones y de huecos móviles, formaron simultáneamente un gas bidimensional de electrones (2DEG) y un gas bidimensional de huecos (2DHG).
Ese equilibrio de cargas busca evitar que la carga se acumule en una zona vulnerable cuando el transistor se apaga. El efecto es que el campo eléctrico se reparte de manera más uniforme a lo largo del dispositivo, lo que reduce el riesgo de ruptura al operar con tensiones altas.
¿Qué números respaldan el avance?
Las mediciones mostraron que el 2DEG contenía cerca de 1,03 × 10¹³ electrones por centímetro cuadrado, mientras que el 2DHG alcanzaba unos 1,05 × 10¹³ huecos por centímetro cuadrado. La diferencia entre ambos es inferior al 2 por ciento, que es justamente la precisión que hace funcionar el método.
Los diodos de barrera Schottky resultantes lograron tensiones de ruptura sobre los 3,9 kV y mantuvieron una resistencia específica en conducción tan baja como 4,7 miliohmios por centímetro cuadrado. Los dispositivos además sostuvieron tensiones de ruptura superiores a 3,3 kV a temperaturas de hasta 125 °C. Durante operación repetida en alta tensión, la resistencia dinámica en conducción aumentó menos de un 15 por ciento a un máximo de 3 kV.
Las versiones en transistor sostuvieron 3,5 kV en operación normalmente encendida y 3,4 kV en operación normalmente apagada, aunque su resistencia dinámica en conducción se midió por separado solo hasta 650 V, debido a efectos parásitos asociados a la medición.
Conviene ordenar esas cifras, porque el titular del avance corresponde a los diodos y no a los transistores:
| Dispositivo | Tensión de ruptura | Condición |
|---|---|---|
| Diodo Schottky | Sobre 3,9 kV | Ambiente, con 4,7 mΩ cm² de resistencia específica |
| Diodo Schottky | Sobre 3,3 kV | A 125 °C |
| Transistor | 3,5 kV | Normalmente encendido |
| Transistor | 3,4 kV | Normalmente apagado |
¿Para qué sirve un GaN de alta tensión?
Según los investigadores, el enfoque podría habilitar una conversión de potencia más compacta y eficiente para vehículos eléctricos, sistemas de energía renovable y centros de datos de inteligencia artificial, que son intensivos en consumo energético.
El punto que vuelve interesante este trabajo para quien diseña electrónica de potencia es la combinación, no cada cifra por separado. Subir la tensión de ruptura es relativamente sencillo si se acepta pagar con más resistencia en conducción, y esa resistencia es la que se traduce en calor y en pérdidas. Sostener 3,9 kV con 4,7 miliohmios por centímetro cuadrado es lo que hace que el resultado valga la pena mirarlo dos veces.
¿Qué falta para que salga del laboratorio?
Los dispositivos siguen siendo demostraciones de laboratorio, y el sustrato utilizado limita hoy su tensión de ruptura máxima. Ese es, por ahora, el techo real del método: no lo impone el diseño de capas sino el material sobre el que se construye.
Para el mercado latinoamericano, donde la electrónica de potencia llega casi siempre integrada en equipos importados, la consecuencia es indirecta pero concreta. Si el GaN sube de rango de tensión, los cargadores rápidos, los inversores solares y las fuentes industriales pueden reducir tamaño y disipación sin cambiar de topología. Ese es el tipo de mejora que se nota en el costo del gabinete y de la refrigeración, no en la ficha técnica del componente.
