La batalla por el nitruro de galio: el código de los cristales perfectos para la electrónica militar

Un equipo de investigadores de la Universidad de Pekín, dirigido por el profesor Huang Bin, ha logrado un avance en la comprensión de los defectos estructurales en el nitruro de galio (GaN), un material semiconductor prometedor y fundamental para la fabricación de electrónica avanzada, especialmente en aplicaciones militares.

Los científicos identificaron que el principal problema surge en la fase de crecimiento de los cristales de GaN. Este proceso suele realizarse sobre sustratos de otros materiales, como el silicio o el zafiro, que sirven como base para la formación de la estructura cristalina.

Durante la investigación, el equipo descubrió que la causa principal de los defectos son las llamadas dislocaciones, imperfecciones microscópicas que alteran la estructura cristalina del material. Estas fallas provocan fugas de corriente y reducen significativamente el rendimiento de los chips. El problema se agrava debido a que el nitruro de galio tiene una estructura atómica hexagonal, que es fundamentalmente diferente de la estructura cúbica del silicio.

Los investigadores explican que los defectos en el silicio suelen deberse al fenómeno del deslizamiento, es decir, al movimiento de los átomos a lo largo de ciertos planos cristalinos. A lo largo de décadas, la industria de los semiconductores ha aprendido a controlar eficazmente estos procesos. Sin embargo, en el caso del nitruro de galio, los defectos se originan principalmente por un mecanismo diferente: la ascensión atómica, es decir, la alteración de la cantidad de átomos en la red cristalina. Hasta ahora, este proceso no había sido suficientemente estudiado.

¿Por qué el nitruro de galio es tan importante?

El GaN pertenece a la tercera generación de semiconductores y se utiliza ampliamente en estaciones base 5G, radares, sistemas de comunicación militar, tecnología aeroespacial y dispositivos de guerra electrónica. En varias aplicaciones, supera con creces al silicio gracias a su capacidad para operar a voltajes, frecuencias y temperaturas más altas.

Actualmente, las principales potencias mundiales emplean nitruro de galio en la fabricación de chips de última generación. Lo que hace que este descubrimiento sea aún más relevante es que China controla aproximadamente el 98% de la producción mundial de galio, el elemento químico esencial para la síntesis de GaN.

Recientemente, el gobierno chino impuso restricciones a la exportación de galio a EE.UU., lo que provocó un aumento significativo en el costo de los semiconductores basados en este material. Esta medida ha generado serias dificultades para las empresas estadounidenses, especialmente para el Pentágono, que ahora enfrenta problemas para adquirir chips asequibles.

El Servicio Geológico de EE.UU. (USGS) advierte que las consecuencias económicas de esta decisión afectarán a numerosos sectores industriales.

¿Cómo se realizó el descubrimiento?

El éxito del equipo del profesor Huang Bin fue posible gracias al uso de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), una tecnología avanzada que permitió observar el interior del material y, por primera vez, registrar el movimiento de átomos individuales dentro de la red cristalina.

Durante los experimentos, los científicos descubrieron que el principal factor que influye en la aparición de defectos es el llamado nivel de Fermi. En física de semiconductores, este parámetro define la energía máxima a la que los electrones pueden permanecer en un estado estable a temperatura cero absoluta. En términos simples, el nivel de Fermi puede entenderse como la "línea de flotación" en un mar de electrones dentro del material.

Las propiedades eléctricas del semiconductor –su capacidad para conducir corriente y en qué condiciones lo hace– dependen directamente de la posición de este nivel de energía. Los investigadores chinos lograron demostrar que, al modificar el nivel de Fermi mediante la introducción de ciertas impurezas y el ajuste del voltaje en los electrodos, es posible reducir significativamente la probabilidad de defectos durante la fabricación del nitruro de galio.

Este hallazgo cambia por completo el enfoque hacia la producción de semiconductores GaN. "Los métodos tradicionales para combatir los defectos incluían el uso de diferentes tipos de sustratos y la modificación de la temperatura de cristalización, pero estos enfoques solo mitigaban los síntomas sin abordar la causa raíz del problema", explicó el profesor Huang Bin durante una conferencia en el Centro de Investigación Computacional de Pekín.

Un avance estratégico para China

Si Pekín logra producir chips de nitruro de galio con una cantidad mínima de defectos, el costo de fabricación de estos dispositivos disminuirá considerablemente. Esto le otorgará a la industria electrónica china una ventaja competitiva en el mercado global.

El impacto de esta tecnología es especialmente significativo en el ámbito militar. Las fuerzas armadas de EE.UU. dependen en gran medida del nitruro de galio en sus sistemas de radares, comunicaciones y guerra electrónica. Sin embargo, Washington ya ha comenzado a enfrentar dificultades tras las restricciones chinas a la exportación de galio. Si los fabricantes chinos consiguen producir chips más avanzados y accesibles, el dominio tecnológico de EE.UU. en la electrónica militar podría verse seriamente comprometido.

El descubrimiento del profesor Huang Bin va más allá de un simple avance académico. Su aplicación práctica podría transformar industrias enteras, desde las telecomunicaciones y redes 5G hasta la tecnología aeroespacial y de defensa. China, que ya controla tanto la materia prima (98% de la producción mundial de galio) como ahora las técnicas avanzadas de procesamiento, se encuentra en una posición sumamente ventajosa.

Propiedades físicas del nitruro de galio

Una de las características clave de cualquier semiconductor es su ancho de banda prohibido, es decir, la barrera energética que los electrones deben superar para pasar del estado de valencia al estado de conducción y permitir el flujo de corriente eléctrica.

En el caso del nitruro de galio, este ancho de banda es de 3.4 electronvoltios, casi tres veces mayor que el del silicio (1.1 eV). Precisamente esta propiedad hace que el GaN sea tan valioso para la electrónica.

Gracias a esta estructura, los dispositivos basados en nitruro de galio pueden operar a voltajes mucho más altos que los chips de silicio sin riesgo de sufrir fallos por ruptura dieléctrica. Además, mantienen su estabilidad a temperaturas de hasta 400°C, mientras que los chips de silicio convencionales dejarían de funcionar mucho antes.

Otro de los grandes beneficios del GaN es la alta movilidad de sus electrones, lo que permite fabricar dispositivos capaces de operar en frecuencias de decenas de gigahercios. Esta característica es fundamental para el desarrollo de sistemas modernos de radar, guerra electrónica y redes de comunicación de última generación.

Sin embargo, la estructura hexagonal única del cristal, que le confiere sus propiedades excepcionales, también genera desafíos significativos en su producción. A diferencia de la red cúbica del silicio, cuyas propiedades son uniformes en todas las direcciones, la red hexagonal del GaN presenta anisotropía, lo que significa que sus características físicas varían según la orientación dentro del cristal.

Este descubrimiento de los investigadores chinos no solo representa un paso adelante en la ciencia de los semiconductores, sino que podría reconfigurar por completo el equilibrio tecnológico y económico global en la industria de la electrónica avanzada.