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El largo adiós de Silicon
En algún momento de las próximas décadas, los fabricantes de chips ya no podrán hacer chips de silicio más rápido empaquetando transistores más pequeños en un chip. Eso se debe a que los transistores de silicio simplemente tendrán demasiadas fugas y serán costosos para hacerlos más pequeños.
Nanocintas: Se han grabado químicamente tiras de arseniuro de indio para que se liberen de la superficie debajo. Luego se pueden transferir a obleas de silicio para hacer transistores rápidos y de baja potencia.
Las personas que trabajan en materiales que podrían tener éxito en el silicio tienen que superar muchos desafíos. Ahora, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han encontrado una forma de superar uno de esos obstáculos: han desarrollado una forma confiable de fabricar transistores nanoscópicos rápidos y de baja potencia a partir de un material semiconductor compuesto. Su método es más simple y promete ser menos costoso que los existentes.
Los semiconductores compuestos tienen mejores propiedades eléctricas que el silicio, lo que significa que los transistores fabricados con ellos requieren menos energía para funcionar a velocidades más rápidas. Estos materiales ya se encuentran en algunas aplicaciones de nicho costosas, como equipos de telecomunicaciones militares, lo que les da una ventaja sobre los reemplazos potenciales de silicio más exóticos como el grafeno y los nanotubos de carbono.
Pero las obleas de materiales semiconductores compuestos también son muy frágiles y costosas, lo que solo está bien donde el costo no importa, dice Ali Javey , profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California, Berkeley. Los semiconductores compuestos se encuentran en el mercado en costosos chips de comunicaciones para el ejército, por ejemplo.
Los investigadores creen que pueden superar esta fragilidad y gastos mediante el crecimiento de transistores semiconductores compuestos sobre una oblea de silicio de apoyo, un truco que debería ser compatible con la infraestructura de fabricación existente.
Sin embargo, los semiconductores compuestos no se pueden cultivar en silicio; existe un desajuste entre las estructuras cristalinas de los dos materiales que hace que esto sea difícil de hacer bien. El grupo de Berkeley ha demostrado ahora que los transistores hechos de semiconductores compuestos pueden cultivarse en otra superficie y luego transferirse a una oblea de silicio. Ese es un camino plausible para lidiar con el hecho de que los semiconductores compuestos son difíciles de cultivar, dice Jesús del Alamo , profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT que no participó en el trabajo de Javey.
Los investigadores de Berkeley demostraron su técnica utilizando arseniuro de indio. Crecen el material sobre una oblea de antimonuro de galio protegida por una capa superior de sacrificio de antimonuro de galio y aluminio. La oblea permite el crecimiento de una película de arseniuro de indio cristalino de alta calidad, y la capa de sacrificio se puede grabar químicamente, liberando tiras de arseniuro de indio a nanoescala. Los investigadores recogen las nanocintas con un sello de goma y las colocan encima de la oblea de silicio. El silicio proporciona soporte estructural para el arseniuro de indio. Está recubierto de dióxido de silicio, que actuará como aislante en los transistores. Los transistores se completan colocando puertas de metal para llevar la electricidad hacia adentro y hacia afuera.
El grupo de Javey describe el rendimiento de los transistores de arseniuro de indio fabricados de esta manera en un artículo publicado en línea la semana pasada en la revista Naturaleza . Los transistores, que tienen 500 nanómetros de largo, funcionan tan bien como los transistores de semiconductores compuestos fabricados con técnicas más complejas, dice Javey. Y los transistores de arseniuro de indio del grupo Berkeley son mucho más rápidos que sus equivalentes de silicio, mientras que requieren menos energía: medio voltio en comparación con 3,3 voltios. Su transconductancia (la respuesta que tienen a los cambios de voltaje) es ocho veces mejor que la de un transistor de silicio de este tamaño. Dado cómo se prepararon estos dispositivos, este rendimiento es bastante impresionante, dice el profesor de ingeniería eléctrica del MIT Dmitri Antoniadis .
Javey señala que el proceso requerido para fabricar los transistores de arseniuro de indio es similar al que se usa para fabricar una clase de chips llamados componentes electrónicos de silicio sobre aislante (SOI), que requieren que se coloque una rodaja de silicio en una oblea de otro material. durante la fabricación. Por esa razón los ha llamado XOI, cualquier cosa en aislante.
El proceso para fabricar los dispositivos XOI a escala de obleas sería más complejo que el SOI porque podría requerir la integración de varios tipos diferentes de materiales construidos sobre obleas de diferentes tamaños, dice. Michael Mayberry , director de investigación de componentes en Intel. Hay muchas formas en que ese proceso podría salir mal, dice. Durante los últimos tres años, Intel ha estado trabajando en procesos para cultivar semiconductores compuestos en obleas de silicio directamente, haciendo crecer una capa de búfer entre ellos. Hasta ahora, tienen que usar un búfer muy grueso que impide el rendimiento de los transistores, pero Mayberry dice que han demostrado que el concepto puede funcionar.
El valor del trabajo de Javey, dice Mayberry, es que demuestra que los transistores de arseniuro de indio funcionan bien cuando se reducen a la nanoescala. No sabemos cómo se comportarán estos dispositivos, dice. Los teóricos han hecho conjeturas, dice, pero a nanoescala pueden surgir efectos cuánticos inesperados.
Javey planea hacer los transistores mucho más pequeños y ver si mantienen su rendimiento. Del Alamo y Antoniadis del MIT están tratando de determinar el escalado final de los transistores de semiconductores compuestos; la pareja ha fabricado transistores de 30 nanómetros de largo. Me gustaría ver qué perfección de materiales se puede lograr a pequeña escala, dice Antoniadis.