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Más allá del silicio
La semana pasada, en el Intel Developer Forum semestral en San Francisco, el fabricante de chips Intel anunció un transistor hecho de un material llamado antimonuro de indio (InSb) que tenía algunas estadísticas impresionantes: tenía una velocidad de 1,5 veces la velocidad de los transistores basados en silicio y usó una décima parte de la potencia.
Según el director de estrategia tecnológica de Intel, Paolo Gargini, quien presentó los resultados, un cambio del silicio podría ser crucial para la industria de fabricación de chips, por lo que puede construir dispositivos más pequeños durante las próximas dos décadas. A medida que los transistores hechos de silicio siguen encogiéndose, las limitaciones del material se vuelven más evidentes. El silicio no es el mejor semiconductor, dice Gargini.
Pero, por supuesto, el silicio es muy común y relativamente económico, y su proceso de fabricación se ha perfeccionado durante 30 años. Lo que hace que los llamados semiconductores compuestos (aquellos hechos de más de un elemento, como el antimonuro de indio) sean tan atractivos son sus propiedades eléctricas y ópticas especiales.
Los electrones pueden pasar a través de un cristal de antimonuro de indio 50 veces más rápido que a través de un cristal de silicio, dice Gargini. Como resultado, las operaciones electrónicas no solo son significativamente más rápidas, sino que se necesita menos energía para impulsar los electrones.
Los semiconductores compuestos también tienen propiedades ópticas que podrían ayudar a acelerar la comunicación entre transistores en un chip y múltiples chips dentro de un dispositivo. Estos materiales emiten y detectan luz fácilmente, una característica que se ha estudiado y mejorado durante décadas, dice David Hodges , ingeniero eléctrico de la Universidad de California, Berkeley. Por lo tanto, dice, los emisores de luz y los detectores hechos de materiales compuestos podrían potencialmente reemplazar los cables de cobre, que son un impedimento importante para la velocidad.
Sin embargo, los materiales compuestos también tienen sus desventajas. Actualmente, se fabrican cientos de miles de millones de transistores a la vez sobre obleas de silicio que pueden tener hasta 30 centímetros de diámetro. Sin embargo, los cristales de los materiales compuestos, como el antimonuro de indio (InSb), el arseniuro de galio (GaAs), el arseniuro de indio (InAs) y el arseniuro de indio y galio (InGaAs) tienden a romperse fácilmente, por lo que no se pueden convertir en obleas tan grandes, dice Gargini. Esto significa que los materiales compuestos nunca podrían reemplazar completamente al silicio como base de obleas para dispositivos eléctricos, dice.
En cambio, las islas de transistores InSb deben depositarse sobre el sustrato de silicio de gran diámetro. Pero depositar transistores de antimonuro de indio sobre silicio crea un desafío adicional. Los átomos en un cristal de silicio están separados por 0,543 nanómetros, mientras que los átomos en el antimonuro de indio están separados por 0,648 nanómetros. Debido a este desajuste, cuando los dos materiales se colocan uno al lado del otro, no todos los átomos en la interfaz se unen, lo que resulta en dispositivos ineficaces.
La forma de superar esto, explica Gargini, es agregar capas delgadas de materiales tampón en el silicio que tengan un espaciado de átomos similar a él, luego ajustar gradualmente las composiciones químicas de las capas de tampón, hasta que tengan un espaciado de átomos similar al del indio. antimonuro. Encontrar las proporciones químicas ideales para proporcionar las mejores capas de amortiguación será uno de los principales desafíos para integrar el antimonuro de indio en la plataforma de silicio existente de Intel, dice.
Además de encontrar el mejor búfer para las islas InSb en la oblea de silicio, según Jesus del Alamo , ingeniero eléctrico del MIT que se especializa en microelectrónica, los ingenieros también deben considerar la capa aislante, el dieléctrico de la puerta, en la parte superior del transistor, que es crucial para las operaciones eléctricas del dispositivo. Actualmente, los transistores de silicio utilizan una capa de dióxido de silicio como dieléctrico de puerta. Sin embargo, para los semiconductores compuestos, el dióxido de silicio no funciona como material aislante, dice del Alamo. La calidad de la interfaz entre los semiconductores compuestos y el dióxido de silicio no es lo suficientemente buena y la constante dieléctrica del dióxido de silicio es demasiado pequeña. Por lo tanto, será necesario desarrollar una clase completamente nueva de dieléctricos de compuerta de alta calidad. Eso será un gran desafío, dice.
Sin embargo, Del Alamo todavía cree que tales obstáculos se superarán a medida que el campo madure. Soy muy optimista de que se nos ocurran estos avances, dice.
Gargini de Intel espera que la tecnología, que Intel comenzó a investigar hace unos tres años, avance hacia la fabricación en aproximadamente otra década. También enfatiza que los semiconductores compuestos son solo una de varias posibilidades para futuros microprocesadores. De hecho, Intel tiene muchas ideas en proceso, desde la litografía ultravioleta extrema, para hacer transistores de silicio más pequeños, hasta desarrollar láseres, moduladores y detectores de silicio, en los que se podrían usar rayos de luz en lugar de cables de cobre para transmitir datos dentro de un chip. (ver Avance de Intel). No espere [semiconductores compuestos] en un producto mañana, dice Gargini. Pero está en trámite.
Imagen de la página de inicio cortesía de Jesus del Alamo, ingeniero eléctrico, departamento de ingeniería eléctrica e informática, MIT. Leyenda: Chip con transistores y estructuras de prueba hechas del compuesto semiconductor arseniuro de indio y galio (InGaAs). El chip se utiliza para diagnosticar las operaciones del dispositivo.