DOI: https://doi.org/10.60647/0RT1-B725
Resumen
Este trabajo plantea la importancia de los compuestos semiconductores III-Nitruro, da a conocer parte de su historia, características, así como propiedades. Además, describe dos de los principales métodos de síntesis como lo es la deposición química en fase vapor y la deposición química en fase vapor utilizando metal-orgánicos. También se presenta una muestra de nitruro de galio codopado con magnesio y zinc, tratando de motivar a la gente por conocer los materiales que constituyen los dispositivos electrónicos que utilizan en su vida diaria.
Palabras clave: III-Nitruro, método de síntesis, semiconductores
En nuestros días se ha producido una revolución tecnológica, fruto de las primeras tres décadas del siglo XX (Brinkman et al., 1997, pp. 1858-1865). En aquel tiempo, el estudio de la mecánica cuántica abrió camino al planteamiento de las estructuras de bandas de energía de los materiales, permitiendo así comprender los mecanismos de funcionamiento de los materiales semiconductores.
Actualidad de los compuestos semiconductores III-Nitruro
Actualmente, los compuestos semiconductores de las columnas III-V de la tabla periódica han participado significativamente en la mejora de nuestra calidad de vida y productividad, proyectando así un mejor futuro para el desarrollo de nuestra especie. Algunos de los compuestos semiconductores III-V más importantes son los semiconductores III-Nitruro. Los compuestos semiconductores III-Nitruro más importantes son los binarios (integrados por dos elementos) nitruro de galio (GaN), nitruro de indio (InN), y nitruro de aluminio (AlN), los ternarios (integrados por tres elementos) aluminio, galio y nitrógeno (AlGaN) e indio, galio y nitrógeno (InGaN), así como el cuaternario (integrado por cuatro elementos) indio, aluminio, galio y nitrógeno (InAlGaN) (Zhao et al., 2018, pp. 1-31).
Características estructurales y aplicaciones
Los compuestos semiconductores III-Nitruro pueden organizar su ordenamiento atómico, denominado cristalización (solidificación), formando estructuras hexagonales y cúbicas, lo cual está en función de su temperatura de síntesis, método de síntesis o condiciones de presión en su crecimiento (Gastellóu et al. 2019a, pp. 277-281). Los compuestos semiconductores III-Nitruro presentan diferentes aplicaciones electrónicas debido a su amplio ancho de banda de energía prohibida directa, también denominado band gap directo, algunas de sus principales aplicaciones son: pantallas de alta definición a base de diodos emisores de luz, diodos emisores de luz ultra-brillantes (LED por sus siglas en inglés), dispositivos de potencia basados en GaN, diodos de barrera Schottky, transistores de alta movilidad de electrones, sistemas micro-electromecánicos piezoeléctricos (MEMs por sus siglas en inglés), celdas solares, lámparas de tecnología LED, dispositivos de estado sólido que emiten microonda, teléfonos inteligentes, computadoras, biosensores, opto-electrónica, y tecnologías de comunicación (Amano et al., 2018, pp. 1- 49; Gastellóu et al., 2023).
El Premio Nobel de Física 2014
En el año 2014, los doctores Isamu Akasaki (Japón), Hiroshi Amano (Japón) y Shuji Nakamura (Japón-E.U.A.) fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por la invención del diodo de luz azul amplificada por emisión estimulada de radiación (blue laser diode por su traducción al inglés). Este dispositivo de estado sólido está desarrollado con compuestos semiconductores III-Nitruro, materiales que los doctores Akasaki, Amano y Nakamura venían investigando desde hace tres décadas. La invención del diodo láser de luz azul, llevó a su aplicación en la producción de lámparas LED de luz blanca cálida, así como de luz amarilla. Estas nuevas lámparas tuvieron un consumo de energía eléctrica menor, revolucionando así la iluminación. Las lámparas LED de luz blanca y amarilla resultaron ser una alternativa duradera y eficiente en comparación con las bombillas tradicionales. La creación de las lámparas LED desarrolladas con materiales III-Nitruro permitió la generación de fuentes de luz más eficientes energéticamente y, sobre todo, amigables con el medio ambiente, reduciendo así las emisiones de gases de hidrocarburos hacia la atmósfera (Nakamura et al., 2000, pp. 3-7; Nobel Prize, 2014).
Síntesis de compuestos semiconductores III-Nitruro
Generalmente, los compuestos semiconductores III-Nitruro son obtenidos por dos métodos de síntesis en los cuales se involucra el crecimiento epitaxial, el cual consiste en el depósito de una película de material semiconductor sólido de unos pocos micrómetros o incluso nanómetros sobre un sustrato. Los métodos de síntesis más comunes para la obtención de compuestos semiconductores III-Nitruro son la deposición química en fase vapor (CVD por sus siglas en inglés de chemical vapor deposition), y la deposición química en fase vapor utilizando metal-orgánicos (MOCVD por sus siglas en inglés de metal-organic chemical vapor deposition).
Deposición química en fase vapor (CVD)
La deposición química en fase vapor (CVD) utiliza reacciones químicas controladas en fase vapor. El proceso comienza introduciendo precursores volátiles en una cámara de reacción, donde se llevan a cabo reacciones químicas cuidadosamente controladas para formar el material semiconductor sólido deseado sobre la superficie del sustrato. La deposición química en fase vapor iniciada (CVD) presenta una variante avanzada del proceso, especialmente útil para crear películas delgadas de semiconductores con un control preciso de la estructura y composición molecular. La química subyacente a los procesos de CVD se controla con precisión mediante parámetros como la temperatura, la presión y el caudal de gas. Este nivel de control permite la formación de materiales de alta pureza con estructuras cristalinas, composiciones y propiedades específicas. Es importante mencionar que la obtención de los átomos de nitrógeno para la síntesis de materiales III-Nitruro se logra a partir de la descomposición térmica del gas amoníaco (NH3) a desde temperaturas superiores a los 400 °C (Gastellóu et al., 2019b, pp. 1024-1029). La Figura 1 muestra un equipo de deposición química en fase vapor (CVD), utilizado en el Centro de Investigaciones en Dispositivos Semiconductores del Instituto de Ciencias de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (CIDS-ICUAP-BUAP).
Deposición química en fase vapor utilizando metal-orgánicos (MOCVD)
La deposición química en fase vapor utilizando metal-orgánicos (MOCVD) consiste en introducir precursores matal-orgánicos en fase vapor usando un gas de arrastre a una cámara de reacción, el gas de arrastre es generalmente hidrógeno, o nitrógeno. Los gases metal-orgánicos son transportados hacia un susceptor de grafito que contiene los sustratos sobre los que se depositará el material semiconductor III-Nitruro, donde el susceptor de grafito es calentado por lámparas de emisión infrarroja. El sistema MOCVD al igual que el sistema CVD son equipos abiertos hacia la intemperie, por lo que los gases que son introducidos salen del sistema después de reaccionar y pasan por un equipo burbujeador para visualizar la salida de gases. Los gases metal-orgánicos más utilizados en la obtención de compuestos semiconductores III-Nitruro son: trimetil-aluminio ó Al2(CH3)6, trimetil-galio o Ga(CH₃)₃, trimetil-indio o In(CH₃)₃. Además, como fuente de átomos de nitrógeno, se introduce un flujo de gas amoníaco (NH3) a la cámara de reacción. La Figura 2 muestra un equipo de deposición química en fase vapor utilizando metal-orgánicos utilizado en el CIDS-ICUAP-BUAP.
Una de las características más importantes de los compuestos semiconductores III-Nitruro son sus propiedades ópticas o de luminiscencia. La Figura 3 presenta una muestra de nitruro de galio codopado con magnesio y zinc (GaN codopado con Mg-Zn), la cual tiene una luminiscencia violeta a simple vista.
Conclusiones
Este escrito presenta muy brevemente las características, propiedades y aplicaciones de los compuestos semiconductores III-Nitruro. Tal vez, poca gente haya escuchado hablar de estos materiales semiconductores; sin embargo, estos tienen una gran importancia en nuestra actualidad, ya que son base de nuestra tecnología. Se presentaron dos de los métodos de síntesis más utilizados para la obtención de los compuestos semiconductores III-Nitruro como lo son: deposición química en fase vapor o CVD, así como la deposición química en fase vapor utilizando metal-orgánicos (MOCVD). Ambos métodos son muy importantes a nivel mundial en los laboratorios de investigación o bien, en las fábricas de gran escala en la producción de dispositivos semiconductores basados en compuestos III-Nitruro. Es posible que estos materiales continúen evolucionando para encontrar nuevas características y propiedades en ellos, lo que nos llevaría a nuevas aplicaciones.
