Cómo un avance científico podría mejorar los dispositivos electrónicos que usamos a diario

La integración de un material ferroeléctrico con capacitancia negativa permitió que un equipo de la Universidad de California, Berkeley, en colaboración con Stanford University, pueda romper una barrera que hasta ahora limitaba el rendimiento de los transistores de nitruro de galio (GaN). Este avance, publicado en la revista Science y difundido por IEEE Spectrum, abre nuevas posibilidades para la eficiencia y la potencia en dispositivos fundamentales para las telecomunicaciones y la electrónica de consumo.

Los transistores de GaN destacan por operar a altas frecuencias y potencias, lo que los hace esenciales en infraestructuras como estaciones base 5G y adaptadores compactos de energía. Sin embargo, estos dispositivos históricamente enfrentaron el llamado “límite de Schottky”, originado por la necesidad de encontrar un balance entre la eficiencia energética en reposo y el rendimiento en operación.

En los HEMTs (transistores de alta movilidad electrónica) basados también en GaN, la compuerta metálica Schottky se coloca directamente sobre una estructura de capas de GaN y nitruro de aluminio y galio. Al aplicar voltaje, se forma una nube bidimensional de electrones que posibilita conmutaciones veloces; aunque, estos electrones pueden escapar hacia la compuerta, generando corrientes de fuga que reducen la eficiencia.

Como medida, se suele incorporar un dieléctrico (capa aislante) entre la compuerta y el canal, el cual bloquea la fuga de electrones cuando el transistor está apagado. No obstante, esta capa incrementa la distancia entre la compuerta y los electrones, lo que disminuye el control sobre el dispositivo y limita su rendimiento en funcionamiento. Esta disyuntiva restringió la evolución hacia transistores más eficientes y potentes.

El grupo liderado por Sayeef Salahuddin, Asir Intisar Khan y Urmita Sikderan propuso reemplazar el dieléctrico convencional por una bicapa de óxido de hafnio recubierta por una fina capa de óxido de circonio, conocida como HZO, de 1,8 nanómetros de grosor. Este material, diseñado para exhibir capacitancia negativa, introduce una propiedad poco común en la electrónica moderna.

La capacitancia negativa se observó por primera vez con una investigación en transistores de silicio a partir de 2007, gracias a la labor de Salahuddin. En este fenómeno, el HZO mantiene un campo eléctrico interno incluso sin voltaje externo; al aplicar un voltaje, el campo del material se opone al voltaje aplicado.

“Cuando se añade otro material, el grosor debería aumentar y el control de la compuerta debería disminuir”, explicó Salahuddin en IEEE Spectrum. Además, agregó: “Sin embargo, el dieléctrico HZO parece romper el límite de Schottky. Esto no es convencionalmente alcanzable”.

La introducción del HZO como material ferroeléctrico altera la dinámica tradicional en los transistores de GaN. Mantener un campo eléctrico interno permite que el material cumpla la doble función de bloquear la fuga de electrones y reforzar la capacidad de modulación de la compuerta. Así, se supera la histórica contradicción entre eficiencia y potencia que definía el límite de Schottky.

Asimismo, en condiciones normales, aumentar el grosor del aislante reduce la capacidad de la compuerta para controlar la corriente, con consecuencias negativas en velocidad y potencia. Con capacitancia negativa, el material permite mantener un alto rendimiento y evitar el desperdicio energético.

Umesh Mishra, especialista en transistores GaN en la Universidad de California, Santa Barbara, expresó: “Obtener más corriente del dispositivo al añadir un aislante es extremadamente valioso. Esto no puede lograrse en otros casos sin capacitancia negativa”.

El avance generó entusiasmo entre los expertos. Debido a esto, Umesh Mishra, ajeno a la investigación original, considera que la obtención de mayor corriente mediante la adición de un aislante solo es posible mediante capacitancia negativa.

Por su parte, Aaron Franklin, ingeniero eléctrico de la Universidad de Duke en Carolina del Norte, destacó el potencial de esta solución para abordar las corrientes de fuga. “Integrar una innovadora capa ferroeléctrica en la pila de la compuerta para abordar esto tiene un claro potencial. Sin duda, es un avance emocionante y creativo”, declaró.

De igual manera, los expertos insistieron en la necesidad de validar el hallazgo en dispositivos de menores dimensiones y en condiciones reales de operación. El ingeniero Mishra puntualizó que los dispositivos probados continúan siendo relativamente grandes y será en dispositivos altamente miniaturizados donde la técnica demostrará su verdadero alcance.

El equipo encabezado por Sayeef Salahuddin reconoció que el principal reto actual es trasladar este avance del laboratorio a aplicaciones comerciales reales. De acuerdo con la revista IEEE Spectrum, el grupo busca alianzas industriales para evaluar el impacto de la capacitancia negativa en transistores de GaN para radiofrecuencia más sofisticados.

Si futuras pruebas en dispositivos avanzados ratifican los datos logrados en laboratorio, la integración de materiales ferroeléctricos con capacitancia negativa podría transformar la industria de los transistores, permitiendo dispositivos más eficientes y competitivos en múltiples áreas tecnológicas.