Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Oblea procesada de 100 mm de diámetro de GaN. El GaN pertenece a la familia de semiconductores compuestos III-V y se comercializó por primera vez en la década de 1990 para dispositivos LED emisores de luz azul. Hoy se sigue utilizando en las bombillas LED, retroiluminación de televisores y pantallas de ordenador o en cargadores de baterías de ordenadores portátiles. También se utiliza para fabricar con él amplificadores de muy alta frecuencia y alta potencia, para su uso en radar, telefonía 5G, etc.

Tras describir en el artículo anterior la importancia de los semiconductores compuestos, aquí entro en detalles de cuales son estos materiales. De cara a entender cuántos de estos semiconductores tenemos a nuestra disposición, voy a agruparlos en un conjunto de “familias”, atendiendo a los elementos químicos que los forman. Para ello, nos fijaremos en las columnas de la Tabla periódica donde están estos elementos.

La zona de la Tabla Periódica de mayor utilidad para entender cómo se forman las “familias” de semiconductores compuestos

1. “Familia” III-V

El estudio de los semiconductores III-V comenzó a principios de la década de 1950. Habían pasado solo unos pocos años desde la invención del transistor y mucho antes de que alguien se diera cuenta de lo importante que llegaría a ser el silicio. De hecho, el trabajo sobre el más importante de todos ellos, el GaAs, estuvo motivado como un posible rival del silicio para la fabricación de transistores. Esto se basó en que, en el GaAs, los electrones se mueven mucho más rápidamente que en el silicio (un factor cinco, aproximadamente), lo que permitiría trabajar al transistor de GaAs a frecuencias significativamente más altas que las que el silicio podría alcanzar. La historia del desarrollo de estos compuestos es muy interesante y rica en la aparición de nuevas técnicas de obtención de los cristales semiconductores. Paso a continuación a hacer una breve síntesis de las principales aplicaciones de estos semiconductores.

Nitruros (AlN, GaN, InN). Son los de más reciente aparición en dispositivos comerciales, debido a que costó muchísimo tiempo desarrollarlos. Son los materiales con los que se fabricaron los primeros diodos emisores de luz azul, base de las bombillas LED, que motivaron la concesión del Premio Nobel de Física de 2014 a Shuji Nakamura, Hiroshi Amano y Isamu Akasaki. Con estos semiconductores se realizan los láseres de semiconductor de luz azul, que actúan como lectores de los equipos de Blu-ray, también se utilizan en vehículos, luces de semáforos, etc. Son también adecuados para fabricar dispositivos de potencia.

Tres obleas de semiconductores compuestos, arseniuro de galio, fosfuro de galio y nitruro de galio, que muestran el brusco cambio de transparencia asociado al aumento del gap de energía prohibida, del arseniuro al nitruro.

Fosfuros (AlP, GaP, InP). Con GaP se fabricaron los primeros LED de luz roja, los primeros que se comercializaron en la década de 1960; el InP es un semiconductor muy adecuado para la fabricación de dispositivos que operan a muy altas frecuencias (GHz), como las que se utilizan en ciertos tipos de radar, también se usan masivamente en los sistemas de comunicación mediante fibra óptica.

Imagen de una oblea de InP en la que se imprimen múltiples chips, producida por SMART Photonics.

Arseniuros (AlAs, GaAs, InAs). El GaAs es uno de los semiconductores más ubicuos que existe, dada la amplísima variedad de dispositivos que se fabrican con él: LED rojos e IR (como los que se encuentran en la mayoría de los mandos a distancia de electrodomésticos); laser de semiconductor que se emplean como lectores en equipos de CD y DVD; en circuitos integrados de microondas MMIC (Monolithic microwave integrated circuit), de aplicación en radares de altas prestaciones, en células solares de multi unión que equipan los satélites artificiales, etc. En la década de 1980, se consideraba que sería el semiconductor que desbancaría al silicio, pero el paso de los años vio frustradas en parte esas expectativas, al haber alcanzado la tecnología del silicio un grado de desarrollo sin parangón con otros semiconductores.

Fotografía de un amplificador de potencia MMIC de GaAs de 4 W en banda Ku (10.7-12.75 GHz)

Antimoniuros (AlSb, GaSb, InSb). Los menos desarrollados de esta familia, salvo el InSb, que se utiliza en dispositivos detectores de radiación IR en sistemas de armas guiadas y en telescopios de IR.

Con los semiconductores III-V se fabrican así mismo aleaciones de compuestos de tres y cuatro elementos (ternarios y cuaternarios), dando lugar a lo que se conoce como el “Band-gap Engineering”, mediante el cual se puede controlar y modificar a voluntad diversas propiedades del semiconductor, entre ellas el gap de energía prohibida, ajustándolo a un valor prefijado de antemano, etc. En concreto uno de ellos, el GaInAsP, ha sido crucial para el desarrollo de los láseres y los detectores de los sistemas de comunicación por fibra óptica; el AlGaInN, determinante para la fabricación de LEDs y láseres azules, violetas y UV, el AlGaAs para los de color rojo e IR, etc.

2. “Familia” II-VI

Óxidos (principalmente ZnO). Los óxidos son una categoría en sí misma, y no solo los del grupo II-VI, esto es debido a que tienen unas propiedades excepcionales; gap elevado, transparentes al espectro visible, alta conductividad (debida a las vacantes de oxígeno) y opacos al IR. Todo esto les hace muy adecuados para formar la capa de contacto frontal en ciertas células solares y para recubrir las ventanas de edificios, con objeto de lograr el denominado “efecto invernadero” (la luz solar entra, pero el calor generado en el interior no sale, lográndose alta eficiencia energética)

Sulfuros (principalmente, ZnS y CdS). Ambos se desarrollaron en las décadas de 1970 y 1980 y hoy en día encuentran su principal aplicación como integrantes de células solares basadas en CdTe y CuGaInSe₂.

Seleniuros (ZnTe y sobre todo ZnSe). El ZnSe generó muchas expectativas en los años 80 del siglo XX, ya que los primeros intentos de fabricar emisores de luz azul se realizaron con este semiconductor, aunque hoy en día ha quedado relegado a un segundo plano, al haberse podido resolver el problema con el AlGaInN.

Teluros (esencialmente CdTe y sobre todo CdHgTe). El CdTe es un material cuya principal aplicación es como absorbedor en células solares de lámina delgada (First Solar). Mención especial merece el CdHgTe (CMT), el tercero en volumen de producción detrás del Si y el GaAs en la décad de 1980. Debido a su aplicación en sistemas de visión nocturna, fue un "material clasificado" durante décadas, hoy día se sigue utilizando en sistemas de visión nocturna y en telescopios IR, como el James Web Space Telescope

El corazón de la cámara del infrarrojo cercano del JWST (NIRCam), un mosaico de 16 megapíxeles de sensores de infrarrojo fabricados con CdHgTe. El mosaico se compone de cuatro chips separados montados juntos con una máscara negra que cubre los huecos entre los chips.

3. “Familia” IV-VI

Esta familia está formada por los sulfuros, seleniuros y teluros de Pb y Sn (PbS, PbSe, PbTe, SnS, SnSe, SnTe). Uno de ellos el PbSe, más conocido como galena, con el que se fabricaron los primeros detectores de ondas de radio en los años iniciales del siglo XX. También con galena se fabricaron los primeros sistemas de visión nocturna, desarrollados por el ejército alemán hacia el final de la Segunda Guerra Mundial.

Izquierda: esquema de un sistema de visión nocturna, que iba instalado en la cúpula de una carro Panther (derecha, señalado con una flecha). En la figura de la izquierda se puede ver el emisor IR, que es el gran foco del centro de la imagen. El detector, a la izquierda de la imagen, estaba basado en PbSe

Hoy en día, el principal campo de aplicación de estos semiconductores se encuentra en la detección de la radiación IR, dado que todos ellos tienen un valor del gap reducido, comprendido entre 0.4 eV y 0.1 eV. El número y variedad de aplicaciones de la detección del infrarrojo es enorme. En este documento, de la empresa española New Infrared Technologies, se pueden consultar.

4. Problemas: madurez tecnológica, abundancia y escasez de los elementos químicos

Hasta aquí, hemos realizado un breve recorrido por los semiconductores más relevantes con los que nos encontramos en la actualidad; de hecho, el número de semiconductores conocidos supera los 500. No obstante, cuando nos preguntamos a propósito de cual o cuales son los más significativos, es decir, cuáles son los que han sido comercializados como integrantes de algún dispositivo específico, el número se reduce significativamente hasta no más de 25-30. La razón se debe esencialmente a que cada semiconductor comercializado hasta la fecha ha requerido una inversión considerable para desarrollar su tecnología, por lo que los nuevos materiales surgen solo cuando son absolutamente necesarios para la solución de un problema concreto, que los existentes en ese momento no pueden resolver. Además, un aspecto que suele pasar desapercibido y tiene una importancia capital es la abundancia o escasez de los elementos químicos con los que se fabrican muchos de los semiconductores descritos. La figura muestra esto extendida a todos los elementos de la Tabla Periódica.

Tabla Periódica de los elementos químicos realizada por la Sociedad Química Europea

El Código de colores indica lo siguiente:

Verde: está disponible en abundancia en forma de dióxido de carbono, rocas carbonatadas y vegetación.

Rojo-Naranja-Amarillo: causará graves problemas si no hacemos nada para restringir su uso. Las distintas tonalidades resaltan cuan cerca o lejos está esa amenaza.

Gris: puede provenir de recursos conflictivos, bien políticos, bien medioambientales.

Relativo a la abundancia o escasez, lo vemos con algún detalle cuantitativo en la siguiente Tabla, donde se muestra el reparto que habría en un millón de átomos, si se respetan las proporciones con las que los encontramos en la corteza terrestre, para algunos de los elementos químicos más habituales presentes en los semiconductores:

Número de átomos de algunos elementos de la tabla periódica, en la cantidad en la que estarían presentes en un millón de átomos tal y como se distribuyen en la corteza terrestre

Claramente se ve que no hay ni habrá problemas con el silicio y tampoco debería haberlos con el GaAs. Por el contrario, aquellos semiconductores que llevan en su composición In, Cd, Hg, Se o Te sufrirán tarde o temprano problemas de escasez del recurso.