China resolve problema de defeitos em chips de GaN, fortalecendo vantagem na guerra tecnológica com os EUA.
Pesquisadores chineses afirmam ter identificado a principal causa dos defeitos em um material semicondutor essencial para chips avançados utilizados em guerra eletrônica e outros setores estratégicos, ampliando a vantagem tecnológica da China em relação aos Estados Unidos.
O nitreto de gálio (GaN), um semicondutor de terceira geração, é amplamente utilizado em dispositivos como carregadores, estações base 5G, sistemas de radar, comunicações militares e aplicações aeroespaciais. A China, que domina 98% da produção global de gálio, impôs restrições à exportação do material para os EUA, tornando mais difícil e caro para o Pentágono obter chips baseados em GaN.
Se a China conseguir desenvolver técnicas de fabricação de GaN de alto desempenho e baixo custo, poderá ampliar ainda mais a diferença de preços dos semicondutores em relação aos EUA.
Descoberta de defeitos e avanços tecnológicos
A fabricação do GaN normalmente usa substratos como silício e safira, mas o processo pode gerar desalinhamentos nas estruturas cristalinas, conhecidos como defeitos de deslocamento, que resultam em vazamentos locais e comprometem significativamente o desempenho dos materiais semicondutores.
“Os métodos tradicionais para evitar esses defeitos incluem o uso de diferentes substratos e ajustes de temperatura na cristalização, mas essas abordagens tratam apenas os sintomas, não a causa”, explicou o professor Huang Bing, do Centro de Pesquisa em Ciência Computacional de Pequim.
“Desta vez, estamos focando na origem do problema, com o objetivo de reduzir custos e melhorar o desempenho dos cristais de GaN”, acrescentou Huang.
Ele e sua equipe, do Departamento de Física da Universidade de Pequim, conduziram análises experimentais e teóricas para compreender o mecanismo de formação do cristal de GaN. Os resultados foram publicados em 5 de fevereiro na revista Physical Review Letters.
Defeitos estruturais e novas soluções
Os defeitos nos cristais semicondutores podem ocorrer por dois processos distintos:
- Gliding (deslizamento), que envolve o movimento ao longo de um plano, fenômeno já controlado na indústria do silício.
- Climbing (escalada), uma mudança mais complexa que envolve a variação no número de átomos locais e que ocorre predominantemente em materiais como o GaN, cuja estrutura hexagonal difere da estrutura cúbica do silício.
Até agora, esse mecanismo atômico não era bem compreendido, pois técnicas convencionais de microscopia eletrônica não conseguiam capturar esses processos em nível atômico.
Graças a avanços recentes na tecnologia experimental, foi possível observar os movimentos atômicos responsáveis pelas falhas na estrutura do GaN. Professores Yang Xuelin e Shen Bo, também do Departamento de Física da Universidade de Pequim, utilizaram microscopia eletrônica de transmissão por varredura (STEM) combinada com técnicas avançadas de seccionamento profundo e estruturas epitaxiais cuidadosamente projetadas.
A partir dessas observações, Huang utilizou cálculos de simulação para identificar a estrutura atômica e eletrônica associada aos defeitos e propôs um novo mecanismo chamado “ajuste do nível de Fermi para manipular a escalada de deslocamento”, posteriormente confirmado por experimentos.
O nível de Fermi funciona como um “marco de referência” no mundo eletrônico, determinando se um semicondutor pode conduzir eletricidade e a dificuldade desse processo.
Com essa nova abordagem, Huang e sua equipe conseguiram refinar os processos de crescimento do cristal de GaN, minimizando os defeitos estruturais durante a fabricação, reduzindo custos e melhorando o desempenho dos materiais.
Além disso, introduzir impurezas específicas durante a cristalização pode ajustar o nível de Fermi e diminuir a concentração de deslocamentos. Aumentar a voltagem da porta durante a criação de dispositivos eletrônicos baseados em GaN também pode controlar a densidade desses defeitos, superando limitações tecnológicas existentes.
Com a regulação da escalada de deslocamento, os pesquisadores esperam reduzir significativamente a densidade de defeitos nos materiais de GaN e melhorar o desempenho de dispositivos baseados nesse semicondutor. A equipe agora pretende aprofundar os estudos sobre o processo de cristalização em tempo real e medir os avanços no desempenho.
Impacto na indústria de semicondutores
A Universidade de Pequim tem laços estreitos com a indústria de semicondutores. Em 2017, o Centro de Pesquisa em Semicondutores de Larga Banda da instituição ajudou a incubar a empresa Beijing Lattice Semiconductor Technology Company, focada no desenvolvimento e produção nacional de semicondutores de alto desempenho como o GaN e o carboneto de silício.
O Departamento de Física da universidade afirmou que o centro contribuiu para os estudos da equipe de Huang, que também recebeu apoio de diversas empresas do setor.
China domina o mercado de gálio e impõe restrições aos EUA
De acordo com o Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS), a China controla aproximadamente 68% das reservas mundiais de gálio e mais de 90% da produção global.
Em julho de 2023, o Ministério do Comércio da China impôs restrições à exportação de gálio e germânio, reforçadas novamente em dezembro de 2024. Desde então, os preços internacionais do gálio mais que dobraram, segundo dados da Fastmarkets.
Em novembro de 2024, o diretor do USGS, David Applegate, afirmou que as perdas econômicas devido à redução nas importações de gálio e germânio impactariam principalmente a indústria de fabricação de dispositivos semicondutores nos Estados Unidos.
A nova descoberta científica sobre a fabricação do GaN reforça ainda mais a posição da China nesse setor estratégico, consolidando sua vantagem competitiva na disputa tecnológica global.
Com informações do South China Morning Post.