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Investigaciones recientes en Israel sientan las bases para futuras alternativas de alto rendimiento al silicio en microelectrónica. Al estirar un material de óxido a un nivel atómico, los investigadores pueden controlar su conductividad, un avance histórico hacia la fabricación de interruptores eficientes, que son los componentes básicos de los chips.
Investigadores han demostrado el control sobre un material emergente, que consideran como una posible alternativa futura al silicio en la microelectrónica.
Este es un desarrollo oportuno, porque los científicos e ingenieros enfrentan desafíos para continuar con la tendencia de reducción de transistores, un importante impulsor del rendimiento de los chips de las computadora.
Los circuitos integrados, más comúnmente conocidos como chips de computadora, o simplemente chips, son el núcleo de la vida moderna, responsables de procesar, almacenar y transferir cantidades masivas de datos.
Los chips son responsables de innumerables tareas, incluido el desarrollo de vacunas, los diseños de naves espaciales, la infraestructura de Internet, los macrodatos, los vehículos autónomos, la inteligencia artificial y el Internet de las cosas.
La mejora continua del rendimiento de estos chips ha sido impulsada por la reducción del tamaño de la pieza lógica más básica de «Lego»: el transistor.
Los transistores son interruptores en miniatura que controlan el flujo de corrientes eléctricas, de forma análoga a un grifo que controla el flujo de agua.
Ya a principios de la década de 1960, Gordon Moore, el fundador de Intel, propuso que la tasa de miniaturización de los transistores debería permitir duplicar el número de transistores por área cada 2 años.
Esta predicción, denominada Ley de Moore, ha dictado la tasa de miniaturización durante décadas.
Actualmente, los chips modernos contienen miles de millones de transistores en aproximadamente un centímetro cuadrado.
En 2007, Moore declaró que su ley llegaría a su fin en unos pocos años.
El CEO de Nvidia expresó una visión aún más pesimista el año pasado, diciendo que «la Ley de Moore está muerta», una opinión compartida por otros expertos en tecnología.
El profesor Lior Kornblum nos explica que, “como resultado de la miniaturización continua, los transistores modernos tienen solo unas pocas docenas de átomos de diámetro.
Debido a que ya son tan pequeños, continuar con la miniaturización sin comprometer su rendimiento es cada vez más desafiante. En la escala nanométrica, los transistores se comportan de formas nuevas que son diferentes a sus predecesores más grandes”.
Una manifestación de este problema es la fuga de corriente eléctrica cuando se supone que el transistor (interruptor) está apagado.
El Prof. Kornblum explica que “se puede comparar con un grifo que gotea, multiplicado por mil millones; esto podría resultar en una gran cantidad de «agua» desperdiciada.
En un teléfono moderno con miles de millones de transistores, la fuga de corriente más pequeña se acumulará en un desperdicio considerable de energía.
Esto podría agotar rápidamente la batería y provocar un calentamiento excesivo del dispositivo. Al pensar en granjas de servidores y centros de datos, el desperdicio de energía puede ser sustancial y producir un calor considerable”.
Existen múltiples enfoques y estrategias para abordar estos desafíos.
Una dirección prometedora es la búsqueda de alternativas al silicio, el caballo de batalla de los chips actuales.
El grupo de investigación del Prof. Kornblum está estudiando varios materiales de óxido, uno de los cuales tiene una propiedad útil: puede pasar de ser un conductor eléctrico a un aislante, y viceversa.
Los investigadores quieren aprovechar esta propiedad para futuros transistores que potencialmente podrían trabajar de manera más eficiente.
El desarrollo de una tecnología de este tipo requiere un control preciso de las propiedades del material.
Los investigadores de Israel demostraron una ruta para manipular las propiedades eléctricas del material controlando con precisión la distancia entre sus átomos.
La directora del laboratorio, la Dra. Maria Baskin, logró esto mediante el uso de un sistema único de crecimiento de óxido; depositó capas de átomos una encima de la otra, creando así películas del material.
Gracias a este delicado proceso de crecimiento, pudo establecer las distancias entre los átomos con una precisión de picómetro (una milésima de nanómetro).
En comparación, la distancia entre dos átomos en el silicio es aproximadamente un cuarto de nanómetro, o 250 picómetros.
Este sistema único de crecimiento de óxido se estableció con una inversión significativa y es el habilitador para desarrollar las próximas generaciones de semiconductores, materiales magnéticos y materiales de energía renovable, como catalizadores de vanguardia.
«Todas las mañanas, vengo al laboratorio y ‘enciendo’ el sistema», explica el Dr. Baskin. “Podemos elegir entre una variedad de átomos, controlar su disposición y el espacio entre ellos. Usando estas capacidades, incluso podemos crear materiales que no existían antes, con una amplia gama de propiedades según nuestros requisitos”.
“Las herramientas que hemos desarrollado para el crecimiento de óxidos son únicas”, agrega el Prof. Kornblum, quien dirige el laboratorio.
“El crecimiento de óxido es solo el primer paso.
A partir de ahí, los estudiantes de posgrado comienzan su investigación. Algunos se enfocan en las propiedades físicas de los materiales, esforzándose por comprender cómo funcionan, y algunos utilizan estos materiales para fabricar dispositivos electrónicos que esperamos revolucionarán la microelectrónica, la energía renovable y otros campos”.
La investigación de la estudiante Lishai Shoham aborda ambos aspectos.
Está estudiando las propiedades del material y fabricando transistores a partir de él, con el objetivo de evaluar cómo se puede aprovechar para la microelectrónica.
En su última publicación científica, Shoham dirigió un equipo de otros doce investigadores de ocho instituciones y empresas de investigación, ubicadas en Suiza, Japón, Francia y Estados Unidos.
El equipo demostró que al estirar el material a nivel atómico, la elongación de los enlaces químicos entre los átomos cambia las propiedades eléctricas: al estirar menos del 2 % de la longitud del enlace atómico, los investigadores redujeron la tendencia de los electrones a saltar del átomo.
Además, este estiramiento cambió la disposición de los átomos en el espacio. A través de estos pequeños cambios, que tienen lugar a una escala de un picómetro, los investigadores desarrollaron la base para controlar la transición del material de un estado conductor a un estado aislante.
Según Shoham, “es sorprendente ver que cambios tan pequeños en la estructura atómica del material tengan un impacto tan grande en las propiedades eléctricas.
Llevamos este material a un sincrotrón en Suiza y vimos cómo estas pequeñas alteraciones afectan la disposición de los electrones en el material, así como su comportamiento.
Estos son los fundamentos científicos que necesitamos para desarrollar futuros transistores a partir de estos materiales no convencionales.
Hoy, estoy implementando los resultados de nuestra investigación sobre materiales relacionados, a partir de los cuales estoy desarrollando un nuevo tipo de transistor”.
Según el Prof. Kornblum, “es un gran privilegio desarrollar estas capacidades aquí en Israel, trabajar con estudiantes brillantes y colaborar con los principales científicos del mundo que contribuyeron a esta investigación.
Estamos cosechando los frutos de la excelente infraestructura científica que el Technion desarrolla y mejora constantemente, y de nuestros excelentes estudiantes”.
Prueben con oro en vez de silicio