En algún momento durante las próximas décadas, los fabricantes de chips ya no serán capaces de fabricar chips de silicio más rápidos mediante la inclusión de transistores más pequeños en el chip. Eso de debe a que los transistores de silicio simplemente tendrán demasiadas fugas y será costoso hacerlos más pequeños.Las personas dedicadas al trabajo con materiales que podrían tener éxito sustituyendo al silicio deben superar muchos desafíos. En la actualidad, un grupo de investigadores de la Universidad de California, en Berkeley, ha encontrado una forma de superar uno de los obstáculos: han desarrollado un método fiable para crear transistores más rápidos, de bajo consumo y nanoscópicos, de un material semiconductor compuesto. Su método es más simple, y promete ser menos costoso que los existentes.
Los semiconductores compuestos poseen mejores propiedades eléctricas que el silicio, lo que significa que los transistores hechos con dicho material requieren menos energía para funcionar a velocidades más rápidas. Estos materiales ya se usan en algunas costosas aplicaciones específicas, como los equipos de telecomunicaciones militares, lo que les da ventaja sobre otros reemplazos potenciales de silicio más exóticos como los nanotubos de carbono y el grafeno.
Sin embargo, las obleas de materiales semiconductores compuestos también son muy frágiles y costosas, "lo cual sólo es aceptable cuando el coste no sea importante", afirma Ali Javey, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas en la Universidad de California, Berkeley. Los semiconductores compuestos están en el mercado dentro de los caros chips de comunicaciones militares, por ejemplo.
Los investigadores creen que pueden superar esta fragilidad y coste mediante el cultivo de transistores de semiconductor compuesto en la parte superior de una oblea de silicio—un truco que debe ser compatible con la infraestructura de fabricación existente.
Sin embargo, los semiconductores compuestos no se pueden cultivar en el silicio—hay un desajuste entre las estructuras cristalinas de los dos materiales que hace que sea difícil hacerlo bien. El grupo de Berkeley ha demostrado que los transistores hechos de semiconductores compuestos se pueden cultivar en otra superficie y luego ser trasladados a una oblea de silicio. "Ese es un camino plausible para hacer frente al hecho de que los semiconductores compuestos son difíciles de cultivar", afirma Jesús del Álamo, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas en el MIT, que no estuvo involucrado en el trabajo de Javey.
Los investigadores de Berkeley demostraron su técnica usando arseniuro de indio. Cultivaron el material en la parte superior de una oblea de antimonio de galio protegida por una capa de sacrificio superior de aluminio galio antimonio. La oblea permite el cultivo de una película de indio-arseniuro cristalina de alta calidad, y la capa de sacrificio puede ser químicamente retirada, liberando las tiras a nanoescala de arseniuro de indio. Los investigadores tomaron las nanocintas con un sello de goma y las colocaron en la parte superior de la oblea de silicio. El silicio proporciona un soporte estructural para el arseniuro de indio. Está recubierto con dióxido de silicio, que posteriormente actuará como aislante en los transistores. Los transistores son completados mediante la colocación de las puertas de metal para llevar la electricidad dentro y fuera.
El grupo de Javey describe el rendimiento de los transistores de arseniuro de indio creados de esta manera en un artículo publicado la semana pasada en la revista Nature. Los transistores, de 500 nanómetros de largo, funcionan tan bien como los transistores de semiconductor compuesto creados utilizando técnicas más complejas, asegura Javey. Y los transistores de arseniuro de indio del grupo de Berkeley son mucho más rápidos que sus equivalentes de silicio, además de requerir menos energía—medio voltio, en comparación con 3,3 voltios. Su transconductancia—su capacidad de respuesta a los cambios de voltaje—es ocho veces mejor que la de un transistor de silicio de este tamaño. "Teniendo en cuenta cómo se prepararon estos dispositivos, este rendimiento es bastante impresionante", explica el profesor de ingeniería eléctrica del MIT Dmitri Antoniadis.
Javey señala que el proceso requerido para crear los transistores de arseniuro de indio es similar al utilizado para crear una clase de chips conocidos como electrónica de silicio sobre aislante (SOI), que requieren que un trozo de silicio sea colocado en una oblea de otro material durante la fabricación. Por eso él los ha llamado XOI—cualquier cosa sobre aislante.
El proceso para la fabricación de los dispositivos XOI a escala de oblea sería más complejo que el de los SOI, ya que podría requerir la integración de varios tipos diferentes de materiales en obleas de distintos tamaños, afirma Michael Mayberry, director de investigación de componentes de Intel. "Existen muchas maneras de que el proceso pueda ir mal", afirma. Durante los últimos tres años, Intel ha estado trabajando en procesos para el cultivo de semiconductores compuestos directamente en obleas de silicio, cultivando una capa de buffer intermediaria entre ellos. Hasta ahora, han tenido que usar un buffer muy grueso que impide el rendimiento de los transistores, aunque Mayberry afirma que han demostrado que el concepto puede funcionar.
El valor del trabajo de Javey, señala Mayberry, es que demuestra que los transistores de arseniuro de indio tienen buen rendimiento cuando se reducen a nanoescala. "No sabemos cómo se comportarán estos dispositivos", afirma. Los teóricos han hecho conjeturas, señala, aunque a nanoescala podrían darse efectos cuánticos inesperados.
Javey planea crear transistores muchos más pequeños y ver si puede mantener su rendimiento. Del Alamo y Antoniadis, desde el MIT, están tratando de determinar la escala final de los transistores de semiconductor compuesto; han creado transistores de 30 nanómetros de largo. "Me gustaría ver qué perfección de materiales se puede lograr a pequeña escala", afirma Antoniadis.
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