Antecedentes

Desde que a mediados del siglo pasado se descubrió que los materiales semiconductores podían utilizarse en la fabricación de dispositivos electrónicos, se ha producido una verdadera revolución tecnológica en el campo de las aplicaciones electrónicas que se ha traducido en un “salto” para la sociedad. Además del silicio (Si) y del grafeno otro de estos materiales “estrella” es el nitruro de galio (GaN).

El nitruro de galio está considerado como uno de los materiales del futuro en el ámbito de los dispositivos de potencia en el que presenta unas prestaciones muy superiores a las del silicio, el material más empleado actualmente. Las propiedades físicas de este material hacen que se convierta en un factor clave para lograr soluciones eficaces para muchas aplicaciones. Entre éstas se encuentra su utilización en: componentes de potencia para un mercado emergente como es el de los vehículos híbridos y eléctricos; en optoelectrónica se presentan como alternativa a los diodos emisores de luz (Light Emitting Diode, LED) y en células solares; por último, también para el diseño de componentes para aplicaciones en radiofrecuencia, RF. La producción de dispositivos semiconductores en tecnología GaN. Los materiales compuestos, y especialmente el GaN, están bien identificados en el ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) uno de los documentos de referencia en el estado de arte industrial.

Las ventajas que presenta la tecnología GaN son las siguientes:

  • Amplia banda prohibida (bandgap) de los semiconductores de la familia GaN, dos o tres veces superiores a los semiconductores tradicionales de GaAs y Si. Esto se traduce en la capacidad de alcanzar elevados campos internos dando lugar a una tensión de ruptura mayor.

  • Una constante dieléctrica un 20% menor que los dispositivos GaAs, como consecuencia de la elevada energía de gap, lo que permite disponer de unas áreas un 20% mayores para una misma impedancia. Debido al incremento de esta área se pueden alcanzar mayores corrientes y por tanto estarán disponibles mayores potencias de salida

  • Elevada conductividad térmica en contraposición a los semiconductores convencionales, lo que permite operar a grandes temperaturas. Esto evita la necesidad de disponer de disipadores permitiendo así su uso en multitud de dispositivos móviles

  • Elevada tensión de ruptura, haciéndolo ideal para los sistemas comerciales, por ejemplo, estaciones base inalámbricas, que operan con tensiones de 28 V, incluso siendo fácil para esta tecnología alcanzar los 48 V. Para estas tensiones tan elevadas se consigue una elevada eficiencia que reduce los requerimientos de potencia de los dispositivos

La importancia de esta tecnología no sólo se traduce en el desarrollo de una industria concentrada en las grandes corporaciones, sino que propicia el desarrollo de una industria auxiliar y de servicios centrada en el sector del diseño creativo de componentes electrónicos o el de caracterización, simulación, modelado, diseño test y medidas, basado en la investigación aplicada en micro y nanoelectrónica. Este tipo de actividad pone en valor los recursos creados y desarrollados durante años en el Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada de la ULPGC y conecta con el sector privado de las poderosas industrias centro-europeas en el núcleo clave de las Tecnologías Facilitadoras (KET) permitiendo el desarrollo de nuevos productos y servicios de alto valor añadido en una región como Canarias que tiene una potencialidad muy alta en este sector.

Objetivos

El proyecto GaNTech pretende aumentar el conocimiento de los dispositivos de GaN, mediante su caracterización y modelado, mediante el diseño de amplificadores de potencia usando técnicas de diseño MMIC (Circuitos Integrados de Microondas en Estado Sólido) en la misma tecnología, con la intención de acelerar la curva de aprendizaje de los diseñadores en el uso de esta tecnología, que permita explorar alternativas en distintos tipos de aplicaciones.

Esto representa un verdadero desafío técnico y una buena oportunidad para fortalecer la competitividad de la UE, para que las empresas europeas estén presentes en los futuros mercados innovadores y sostenibles.

Para ello, se elegirá una tecnología de GaN con longitud de puerta mínima inferior a 0.5 µm. La elección se realizará teniendo en cuenta la disponibilidad del kit de diseño, coste de fabricación del prototipo y prestaciones de la tecnología. En cualquier caso, se tendrá en cuenta la compatibilidad de la tecnología seleccionada con una posible producción industrial del dispositivo.

Posteriormente, se realizará el estudio, la caracterización y el modelado de los dispositivos GaN utilizando herramientas de diseño tecnológico asistido por ordenador (TCAD) disponibles en el IUMA y se simulará el transistor a utilizar, así como el sustrato, para después, compararlos con los resultados de las medidas para la obtención de un modelo más preciso.

Una vez obtenido el modelo del transistor y el rango de frecuencias de validez del modelo, se realizará el diseño del amplificador, su fabricación y medida.

Metodología

El plan de trabajo del proyecto se estructura en cinco paquetes de trabajo (PT), cada uno de los cuales será liderado por uno de los participantes. Se puede observar un esquema general de la estructura del proyecto en la que se detallan los paquetes de trabajo y los hitos. Cada PT tiene un responsable, cada tarea se llevará a cabo por dos o tres miembros del grupo, en el que, al menos uno de ellos, posee experiencia en la materia. De esta manera no sólo se agiliza la investigación para realizar varias tareas en paralelo, sino también para evitar el trabajo de forma aislada.

El responsable de cada paquete de trabajo, además de participar en algunas de las tareas específicas del trabajo de investigación, estará permanentemente al tanto de la situación de cada tarea y llevará a cabo la coordinación y supervisión de los avances del proyecto en relación a ese paquete.

Los participantes son investigadores del Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada (IUMA), de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), que tienen demostrada experiencia en las tareas encomendadas.