Científicos de materiales han resuelto un enigma de la física importante para la tecnología moderna, explicar cómo los dispositivos electrónicos fallan catastróficamente cuando son expuestos a la radiación. Sus descubrimientos llevan a la posibilidad de crear electrónica novedosa que pudiese resistir ambientes extremos y llegar a aplicaciones desde la energía nuclear hasta la exploración espacial.

Este descubrimiento proviene del trabajo que los investigadores realizaban en nitruro de aluminio (AlN), que se clasifica como un semiconductor de brecha ultra ancha (ultrawide bandgap semiconductor, en inglés). Esto significa que el AlN se puede utilizar en dispositivos electrónicos que tienen la capacidad de manejar grandes cargas de potencia eléctrica. En teoría, AlN se pudiese utilizar en ambientes extremos como aquellos con cantidades excesivas de radiación.

Para demostrar esta teoría, los investigadores exploraron un fenómeno llamado el quemado por evento único (SEB por sus siglas en inglés), uno de los efectos de eventos únicos que ocurren cuando un dispositivo electrónico es expuesto a la radiación y una sola partícula energética causa daños catastróficos en el dispositivo. Esto causa que el dispositivo falle causando daños estructurales irreversibles.

SEB ocurre cuando un alto voltaje es aplicado al dispositivo que es expuesto a la radiación, reconociendo que distintos dispositivos electrónicos pueden manejar niveles de voltaje diferentes antes de que un SEB ocurra.

“Queríamos caracterizar la electrónica basada en AlN desarrollada por nosotros y reconocer cuanta potencia eléctrica podía sostener antes de que el SEB ocurriera,” dijo Cristyan Quiñones, autor de correspondencia del articulo científico sobre este trabajo y recién graduado del programa doctoral de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NC State en inglés).

“El diseño del dispositivo determina cuanto voltaje un material semiconductor puede sostener antes de que el SEB ocurra. Por lo tanto, para comparar el rendimiento eléctrico entre distintos materiales, debemos comparar el campo eléctrico en vez del voltaje. Cuando comparamos el campo eléctrico que el AlN puede sostener con el de otros semiconductores encontramos que AlN puede sostener campos eléctricos significativamente más altos.”

Para mejor entender lo que se estaba observando, los investigadores analizaron los resultados de sus experimentos en comparación con resultados disponibles acerca de SEB en otros materiales. Usando esta comparación, los investigadores utilizaron simulaciones computacionales para desarrollar un modelo analítico que describe físicamente lo que ocurre durante uno de estos eventos catastróficos.

“Antes, sabíamos que el evento catastrófico ocurría y podíamos evaluar la capacidad de un dispositivo para resistir este evento,” dijo Quiñones. “Ahora sabemos por qué ocurre.”

Cuando un dispositivo electrónico es expuesto a la radiación, iones pesados pasan a través del material. Estos iones generan cargas eléctricas en el material, y como un voltaje está siendo aplicado al dispositivo durante su funcionamiento, esto causa que las cargas eléctricas positivas y negativas se separen. Esta separación, en cambio, causa un campo eléctrico localizado. Una vez el campo eléctrico llega a una magnitud crítica este desencadena una avalancha de electrones causando que una cantidad significativa de energía se libere en un área muy pequeña. En otras palabras, esto causa una explosión localizada. Esto es lo que es un SEB catastrófico.

“Entender la física detrás de estos eventos catastróficos es importante,” dice Ramón Collazo, coautor del articulo y profesor de ingeniería y ciencias de materiales en NC State. “Entender esto permite la posibilidad de diseñar materiales para usarse en dispositivos que sean resistentes a la radiación, o hasta diseñar dispositivos más resistentes a estos eventos catastróficos.

“Esto no se podía hacer anteriormente porque no sabíamos lo que estaba sucediendo en detalle durante el evento,” dijo Collazo. “Este nuevo entendimiento significa que podemos desarrollar reglas de diseño para hacer estos dispositivos más resistentes a la radiación y minimizar el daño causado por SEB.”

Los investigadores evaluaron su modelo analítico para probar si era capaz de explicar las observaciones de SEB en otros dispositivos y materiales y encontraron que el modelo podía explicar las condiciones donde ocurría el SEB.

“Nuestro modelo puede explicar las observaciones no solamente en nuestros dispositivos, pero también en dispositivos hechos a base de otros semiconductores”, dijo Quiñones.

“Creemos que este modelo va a ser una herramienta valiosa para el desarrollo de dispositivos para aplicaciones desde la energía nuclear y la exploración espacial hasta tecnologías biomédicas y experimentación en fusión,” dijo Collazo.

El artículo titulado, “Single-event burnout of AlN diodes under heavy-ion irradiation,” esta publicado en el IEEE Transactions in Nuclear Science. Los autores adicionales del articulo son Michael Carter, estudiante doctoral en NC State; Zlatko Sitar, profesor distinguido de ingeniería y ciencias de materiales en NC State; Jason Osheroff del NASA Goddard Space Flight Center; y Pramod Reddy, Dolar Khachariya, Seiji Mita and Ronny Kirste de Adroit Materials, Inc.