Un material exótico llamado nitruro de galio (GaN) está a punto de convertirse en el próximo semiconductor para la electrónica de potencia, lo que permite una eficiencia mucho mayor que la del silicio.
En 2013, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) destinó aproximadamente la mitad de un instituto de investigación sobre electrónica de potencia, dotado con 140 millones de dólares, a la investigación sobre GaN, citando su potencial para reducir el consumo energético mundial. Ahora, la empresa derivada del MIT Cambridge Electronics Inc. (CEI) ha anunciado una línea de transistores de GaN y circuitos de electrónica de potencia que prometen reducir el consumo energético de centros de datos, coches eléctricos y dispositivos de consumo entre un 10 y un 20 % a nivel mundial para 2025.
La electrónica de potencia es una tecnología omnipresente que se utiliza para convertir la electricidad a voltajes más altos o más bajos y a corrientes diferentes, como en el adaptador de corriente de un portátil o en las subestaciones eléctricas que transforman los voltajes y distribuyen la electricidad a los consumidores. Muchos de estos sistemas dependen de transistores de silicio que se encienden y apagan para regular el voltaje pero, debido a limitaciones de velocidad y resistencia, desperdician energía en forma de calor.
Según la empresa, los transistores de GaN de CEI tienen al menos una décima parte de la resistencia de dichos transistores basados en silicio. Esto permite una eficiencia energética mucho mayor y una frecuencia de conmutación de órdenes de magnitud más rápida, lo que significa que los sistemas de electrónica de potencia con estos componentes pueden fabricarse mucho más pequeños. CEI está utilizando sus transistores para desarrollar sistemas de electrónica de potencia que harán que los centros de datos consuman menos energía, que los coches eléctricos sean más baratos y potentes, y que los adaptadores de corriente de los portátiles tengan un tercio del tamaño actual, o incluso lo bastante pequeños como para caber dentro del propio ordenador.
“Es una oportunidad única en la vida para cambiar la electrónica y para tener un verdadero impacto en la forma en que se utiliza la energía en el mundo”, afirma Tomás Palacios, cofundador de CEI y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática del MIT, que codesarrolló la tecnología.
Otros cofundadores y coinventores son Anantha Chandrakasan, catedrático Joseph F. and Nancy P. Keithley de Ingeniería Eléctrica, que actualmente preside el consejo asesor técnico de CEI; el exalumno Bin Lu, SM ’07, PhD ’13, vicepresidente de desarrollo de dispositivos de CEI; Ling Xia, PhD ’12, directora de operaciones de CEI; Mohamed Azize, director de epitaxia de CEI; y Omair Saadat, PhD ’14, director de fiabilidad de productos de CEI.
Hacer viable el GaN
Aunque los transistores de GaN tienen varias ventajas sobre el silicio, los inconvenientes en materia de seguridad y los costosos métodos de fabricación los han mantenido en gran medida fuera del mercado. Pero Palacios, Lu, Saadat y otros investigadores del MIT lograron superar estos problemas mediante innovaciones de diseño realizadas a finales de los años 2000.
Los transistores de potencia están diseñados para dejar pasar corrientes elevadas cuando están encendidos y para bloquear voltajes elevados cuando están apagados. Si el circuito se rompe o falla, los transistores deben pasar por defecto a la posición de “apagado” para cortar la corriente y evitar cortocircuitos y otros problemas, una característica importante de los transistores de potencia de silicio.
Sin embargo, los transistores de GaN suelen ser “normalmente encendidos”, lo que significa que, por defecto, siempre permiten el paso de corriente, algo que históricamente ha sido difícil de corregir. Utilizando recursos del Laboratorio de Tecnología de Microsistemas del MIT, los investigadores, con el apoyo de subvenciones del Departamento de Defensa y del DOE, desarrollaron transistores de GaN “normalmente apagados” modificando la estructura del material.
Para fabricar transistores de GaN tradicionales, los científicos hacen crecer una fina capa de GaN sobre un sustrato. Los investigadores del MIT superpusieron en sus transistores de GaN diferentes materiales de composiciones dispares. Encontrar la mezcla precisa permitió un nuevo tipo de transistores de GaN que pasan por defecto a la posición de apagado.
“Siempre hablamos del GaN como galio y nitrógeno, pero se puede modificar el material básico de GaN, añadir impurezas y otros elementos, para cambiar sus propiedades”, afirma Palacios.
Pero el GaN y otros semiconductores no basados en silicio también se fabrican mediante procesos especiales, que son costosos. Para reducir los costes, los investigadores del MIT, en el Instituto y, más tarde, junto con la empresa, desarrollaron nuevas tecnologías de fabricación, o “recetas de proceso”, afirma Lu. Esto implicó, entre otras cosas, sustituir los metales de oro utilizados en la fabricación de dispositivos de GaN por metales compatibles con la fabricación de silicio, y desarrollar métodos para depositar GaN en las obleas grandes que utilizan las fundiciones de silicio.
“Básicamente, estamos fabricando nuestros avanzados transistores y circuitos de GaN en fundiciones de silicio convencionales, al mismo coste que el silicio. El coste es el mismo, pero el rendimiento de los nuevos dispositivos es 100 veces mejor”, afirma Lu.
Aplicaciones principales
Actualmente, CEI está utilizando sus avanzados transistores para desarrollar adaptadores de corriente para portátiles de aproximadamente 1,5 pulgadas cúbicas de volumen, los más pequeños jamás fabricados.
Entre las otras aplicaciones viables de los transistores, afirma Palacios, se encuentra una mejor electrónica de potencia para los centros de datos gestionados por Google, Amazon, Facebook y otras empresas, con el fin de alimentar la nube.
Actualmente, estos centros de datos consumen alrededor del 2 % de la electricidad de Estados Unidos. Pero la electrónica de potencia basada en GaN, afirma Palacios, podría ahorrar una fracción muy significativa de ese consumo.
Otra aplicación futura importante, añade Palacios, será sustituir la electrónica de potencia basada en silicio de los coches eléctricos. Esta se encuentra en los cargadores que cargan la batería y en los inversores que convierten la energía de la batería para accionar los motores eléctricos. Los transistores de silicio utilizados hoy en día tienen una capacidad de potencia limitada que restringe la potencia que el coche puede manejar. Esta es una de las principales razones por las que hay pocos vehículos eléctricos de gran tamaño.
La electrónica de potencia basada en GaN, por otro lado, podría aumentar la potencia de salida de los coches eléctricos, a la vez que los hace más eficientes energéticamente y más ligeros y, por tanto, más baratos y capaces de recorrer distancias más largas. “Los vehículos eléctricos son populares, pero siguen siendo un producto de nicho. La electrónica de potencia de GaN será clave para convertirlos en productos de uso generalizado”, afirma Palacios.
Ideas innovadoras
Al lanzar CEI, los fundadores del MIT recurrieron a los programas emprendedores del Instituto, que contribuyeron al progreso de la startup. “El ecosistema de innovación y emprendimiento del MIT ha sido clave para poner las cosas en marcha y llegar hasta donde estamos ahora”, afirma Palacios.
Palacios obtuvo primero una subvención del Deshpande Center for Technological Innovation para lanzar CEI. Después, llevó su idea de electrónica de potencia basada en GaN a Innovation Teams (i-Teams), que reúne a estudiantes del MIT de distintas disciplinas para evaluar la viabilidad comercial de nuevas tecnologías. Ese programa, afirma, le mostró la enorme demanda del mercado para la electrónica de potencia de GaN y ayudó a CEI a decidir cuáles serían sus primeros productos.
“Muchas veces ocurre al revés: se crea una tecnología asombrosa que busca una aplicación. En este caso, gracias a i-Teams, descubrimos que había muchas aplicaciones que buscaban esta tecnología”, afirma Palacios.
Para Lu, un elemento clave para el crecimiento de CEI fue asistir como oyente a Start6, un taller organizado por el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, en el que los estudiantes de ingeniería emprendedora son guiados a través del proceso de creación de una startup mediante debates en grupo y charlas de emprendedores experimentados. Entre otras cosas, Lu adquirió una perspectiva sobre el reparto de participaciones, la financiación, la formación de un equipo y otros retos iniciales de las startups.
“Es una gran clase para un estudiante que tiene una idea, pero no sabe exactamente qué ocurre en el mundo de los negocios”, afirma Lu. “Es una especie de panorama general de cómo será el proceso, de modo que cuando creas tu propia empresa estás preparado.”
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Rob Matheson escribe para MIT News.
Imagen: Una bombilla tradicional con filamento de carbón se exhibe en una tienda de bricolaje. REUTERS/Ina Fassbender.
