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Superchip de Motorola
Mientras estaba acostado en la playa durante unas vacaciones en la costa española en 1999, el físico Jamal Ramdani tuvo una epifanía. Mientras la arena se adaptaba a los contornos de su cuerpo, Ramdani, un investigador de Motorola Labs en Tempe, AZ, de repente imaginó una solución a un rompecabezas que había dejado perpleja a la industria de los semiconductores durante 30 años: cómo combinar silicio barato con alta velocidad, materiales semiconductores emisores de luz pero mucho más costosos como el arseniuro de galio, todo en una sola oblea.
Debido a que los materiales no coinciden físicamente, ha sido prácticamente imposible colocar uno encima del otro para producir un chip con propiedades ópticas y electrónicas óptimas. Pudo haber sido la arena de esa playa española, que está hecha del mismo mineral del que se derivan las obleas de silicio, lo que le dio a Ramdani la pista fundamental. En cualquier caso, recuerda Ramdani, volví a Phoenix, tomé prestada una máquina para cultivar semiconductores compuestos y, en dos o tres tomas, teníamos arseniuro de galio sobre silicio.
Los beneficios de tener la funcionalidad del arseniuro de galio, en particular su capacidad para manejar comunicaciones inalámbricas y emitir luz en un chip de silicio económico, no se perdieron para los ejecutivos de Motorola. Los chips de alto rendimiento hechos de arseniuro de galio y otros llamados semiconductores compuestos se utilizan ampliamente en todo, desde teléfonos móviles hasta conmutadores en redes de comunicaciones ópticas. Como mínimo, la invención de Ramdani podría significar reemplazar estos costosos chips por otros mucho menos costosos de arseniuro de galio sobre silicio. En los dos años transcurridos desde el avance de Ramdani, Motorola ha presentado más de 300 patentes sobre la tecnología; el otoño pasado, la empresa utilizó el método de Ramdani para construir prototipos de chips para potenciar señales en teléfonos móviles. Para comercializar el nuevo material, Motorola ha puesto en marcha una subsidiaria de propiedad absoluta, Thoughtbeam, en Austin, TX, con la promesa de que los nuevos materiales encontrarán su camino hacia los dispositivos electrónicos y ópticos en los próximos dos años.
El impacto de la tecnología de chips de Motorola podría ir mucho más allá de los teléfonos móviles o dispositivos ópticos más baratos. Hoy en día, si desea un microprocesador rápido y económico, necesita un chip de silicio; Si desea que un chip maneje funciones ópticas o señales de radio de alta frecuencia, necesita semiconductores compuestos como arseniuro de galio o fosfuro de indio. Como resultado, equipos como teléfonos móviles y conmutadores de redes de comunicaciones requieren varios dispositivos semiconductores. Con el tiempo, predicen algunos expertos, la tecnología de Motorola podría hacer posible integrar las funciones del arseniuro de galio y el silicio en un solo chip, utilizando cada uno de los materiales para lo que mejor hace. El resultado sería un superchip. En lugar de tener varios chips en un reproductor de DVD que realizan diferentes tareas (generar luz para leer el disco, recibir información de los espectadores, decodificar datos digitales en imágenes y sonido), un solo chip podría manejarlo todo.
La industria de los semiconductores ha estado soñando con un superchip de este tipo durante décadas, y varios investigadores están persiguiendo activamente ese sueño. Por ejemplo, Eugene Fitzgerald, científico de materiales del MIT, ha estado trabajando en el problema durante más de una década y ha publicado descripciones de su propia técnica para cultivar arseniuro de galio en silicio. Él y muchos otros escépticos se preguntan si la tecnología de Motorola resultará ser un grand slam. Cada pocos años, existe una supuesta solución, pero al examinarla más de cerca, se ve que no es una en absoluto, dice Fitzgerald.
Otros, sin embargo, están tan impresionados con el potencial del avance de Ramdani que creen que la tecnología podría cambiar fundamentalmente la dinámica del negocio de fabricación de chips, y finalmente cerrar la brecha de materiales entre el silicio y los semiconductores compuestos que se ha convertido en un hecho fundamental en la industria. Según Steve Cullen, director y analista principal de servicios de investigación de semiconductores en Cahners In-Stat Group, el avance de Motorola podría pasar a la historia como un importante punto de inflexión para la industria de semiconductores.
Primos del silicio
El silicio es el material de elección para la gran mayoría de chips utilizados en aplicaciones de microprocesamiento; es fácil de manejar y los fabricantes han aprendido a grabar en él los diminutos circuitos que hacen posible las computadoras rápidas y económicas de hoy en día. Pero a pesar de su fama, el silicio no puede igualar las capacidades ópticas e inalámbricas de semiconductores más caros como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio.
Estos materiales se denominan semiconductores compuestos porque sus cristales, a diferencia del silicio, están compuestos por más de un elemento. Esta composición más compleja a menudo les otorga rasgos físicos deseables. Por ejemplo, debido a que los electrones viajan más rápido en muchos semiconductores compuestos, los materiales pueden procesar señales de radio de alta frecuencia y, por lo tanto, mayores cantidades de datos, que es justo lo que necesita si desea, por ejemplo, dispositivos inalámbricos de mano que puedan recibir transmisiones de video sin interrupciones. .
Y a diferencia del silicio, muchos de estos semiconductores compuestos pueden emitir haces de luz cuando se alimentan con un poco de corriente eléctrica. Eso hace posible los láseres de estado sólido que pueden leer los pequeños bits de información densamente empaquetados en un CD o DVD. Las redes de comunicación óptica de alta velocidad también se basan en semiconductores compuestos para convertir información óptica en información electrónica, y viceversa, en los miles de lugares donde las fibras ópticas se encuentran con interruptores electrónicos y computadoras.
Sin embargo, la misma complejidad que hace que los semiconductores compuestos sean tan útiles también los hace frágiles, difíciles de sintetizar, difíciles de integrar con otros materiales y muy costosos. Por el momento, una oblea de 15 centímetros de arseniuro de galio cuesta alrededor de $ 300, mientras que una oblea de silicio de 20 centímetros puede costar alrededor de una décima parte. El avance de Ramdani implica una forma de depositar una pátina de arseniuro de galio encima de una oblea de silicio estándar. La capa superior de arseniuro de galio proporciona todas las capacidades únicas de ese material, pero ponerlo sobre un sustrato de silicio hace que sea mucho más fácil de manejar y más económico de fabricar.
A primera vista, el procedimiento parece tan simple como untar mantequilla de maní sobre una rebanada de pan. Pero en la práctica, es mucho más complicado. El problema fundamental, dice Fitzgerald, es que las estructuras cristalinas subyacentes del silicio y el arseniuro de galio son tan diferentes que colocar una sobre otra es como apilar toronjas sobre un lecho de naranjas. Obtienes inadaptados y espacios adicionales, dice Fitzgerald. Estos defectos en el cristal tienden a enganchar electrones, interrumpiendo las funciones de los dispositivos semiconductores.
Hasta ahora, el problema del desajuste ha derrotado a casi cualquiera que haya intentado hacer obleas de arseniuro de galio sobre silicio. Eso ayuda a explicar por qué muchos investigadores de empresas como IBM y la startup de tecnología de semiconductores AmberWave Systems de Salem, NH, están buscando un enfoque alternativo a semiconductores más versátiles y potentes: ajustar el silicio para que se comporte más como sus primos más elegantes. De esa manera, obtienen los beneficios de costos de usar la infraestructura de 50 años de tecnología de fabricación de silicio y aún se acercan al rendimiento de los semiconductores compuestos.
AmberWave Systems, cofundada por Fitzgerald del MIT, ha desarrollado una forma de cristal de silicio deformado en el que los electrones se mueven más rápido que en el silicio normal. El material hace posible transistores más rápidos, y eso significa, por ejemplo, procesadores de señales de radio de alta frecuencia. Los investigadores hacen crecer una capa de una aleación de silicio-germanio sobre una oblea de silicio y luego cubren la aleación con una fina capa de silicio. Debido a que las distancias entre los átomos en el cristal de silicio-germanio son más largas que en el silicio, los átomos de silicio en la capa superior deben estirarse para coincidir con los espacios entre los átomos en el silicio-germanio de abajo. Cuando los átomos de silicio están más separados, los electrones se mueven con mayor libertad y, por tanto, más rápido.
De hecho, esta pequeña ingeniería de cristales ha producido muestras en las que los electrones se mueven hasta un 80 por ciento más rápido que en las obleas de silicio ordinarias. Durante el próximo año, AmberWave espera que los dispositivos fabricados con este material lleguen al mercado: microprocesadores, por ejemplo, o chips de aumento de señal en teléfonos móviles.
Superchip Ingredientes
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| Los investigadores de Motorola sueñan con algún día fabricar chips multipropósito (arriba) con dispositivos ópticos e inalámbricos integrados hechos de arseniuro de galio y un microprocesador tallado en el sustrato de silicio expuesto. La firma espera hacer realidad ese sueño con su nueva tecnología. Una capa interna, compuesta de dióxido de silicio y titanato de estroncio, proporciona un puente molecular entre los diferentes tamaños de cristales de silicio y arseniuro de galio. (Ilustración de Slim Films) Visiones de vacaciones Ajustar el silicio podría hacerlo más rápido, pero para las capacidades ópticas aún necesita semiconductores compuestos. Si bien varios investigadores están tratando de cultivar semiconductores compuestos en silicio, Motorola cree que tiene una ventaja en la carrera para comercializar la tecnología, gracias tanto a Ramdani como a la infraestructura de comercialización y fabricación bien establecida de la compañía. La historia del gran avance de Ramdani comienza al menos un año antes de sus fatídicas vacaciones en España. Ramdani era parte de un grupo de investigación de Motorola que intentaba hacer silicio más rápido cuando hizo un descubrimiento accidental que conduciría al proyecto de galio-arseniuro sobre silicio. En ese momento, él y sus colegas se estaban enfocando en la capa delgada, similar al vidrio, de dióxido de silicio que se forma sobre el silicio cuando se expone al oxígeno durante el procesamiento del chip. Esta capa, conocida como dieléctrico, es un componente de chip vital porque permite que un transistor controle el estado eléctrico de otro mientras evita que los electrones se filtren entre ellos. Pero a medida que los transistores se hacen más pequeños y esta capa se vuelve más delgada, se vuelve más propensa a la fuga de electrones. Para resolver este problema, Ramdani y sus colegas Ravi Droopad y Jimmy Yu estaban experimentando con una alternativa al dióxido de silicio (titanato de estroncio) que podría mejorar el rendimiento de los chips basados en silicio. Sin embargo, cuando los investigadores de Motorola depositaron titanato de estroncio equivalente al aliento de una abeja sobre una superficie de silicio, se formó una capa intermedia de dióxido de silicio. Era como cubrir inadvertidamente una ventana con una capa de pintura negra cuando todo lo que querías hacer era teñirla ligeramente. Y luego, Ramdani visitó esa playa española. Mientras se relajaba en la arena, se dio cuenta de que la capa de dióxido de silicio, junto con el titanato de estroncio, podrían servir para un propósito mucho mayor de lo que había imaginado originalmente: capas intermedias que, cuando se intercalan entre el silicio y el arseniuro de galio, podrían reconciliar el desajuste cristalino entre los dos semiconductores. Eso se debe a que las distancias entre los átomos del titanato de estroncio, cuando están encima de la capa de dióxido de silicio que se forma debajo, son más largas que las del silicio pero más cortas que las del arseniuro de galio. De hecho, es el dióxido de silicio el que hace que los átomos del titanato de estroncio se relajen por completo y asuman una configuración más en línea con la de los átomos de arseniuro de galio de arriba. A los pocos días de regresar de sus vacaciones, Ramdani y su equipo de ingenieros lograron cultivar arseniuro de galio en silicio utilizando estas capas intermedias. (ver Ingredientes de Superchip) . Interés compuesto A medida que los investigadores de Motorola refinen su tecnología en los próximos años y aprendan a cultivar otros semiconductores compuestos sobre el silicio, las aplicaciones potenciales del material deberían seguir expandiéndose. Como lo ven Ramdani y sus colegas, el mismo tipo de capa interna que usan para unir arseniuro de galio con silicio podría usarse para cultivar fosfuro de indio o cualquier número de otros semiconductores compuestos de alto rendimiento en el mismo sustrato de silicio económico. Cada uno de estos semiconductores compuestos tiene su propia personalidad, su propia velocidad y propiedades de emisión de luz. Dicha tecnología también podría dar lugar a nuevos tipos de dispositivos o aplicaciones que anteriormente no habían sido rentables. Las fuentes económicas de chips de alto rendimiento, por ejemplo, podrían facilitar que los diseñadores agreguen comunicaciones inalámbricas a los electrodomésticos y los conecten a Internet. Las visiones de lavadoras que se comunican directamente con los centros de servicio cuando se estropean o de refrigeradores que solicitan pedidos de comida al supermercado podrían resultar más baratas de realizar, si no más deseables. Los chips emisores de luz y de detección de luz más asequibles podrían cambiar la economía de los enlaces de fibra óptica para conectar directamente computadoras, cámaras de video y otros dispositivos domésticos a Internet. Más allá de eso, los fabricantes de chips como Motorola y AmberWave Systems comparten el mismo sueño tecnológico a largo plazo: una oblea todo en uno. En esta visión, los semiconductores compuestos no solo se colocan en capas sobre un sustrato de silicio, sino que los diferentes semiconductores se integran juntos en el chip. Si podemos cultivar una película delgada de arseniuro de galio sobre obleas de silicio, entonces tal vez podamos cultivar selectivamente islas de arseniuro de galio en silicio, dice Charles Huang, cofundador y director técnico de Anadigics, una empresa de fabricación de chips con sede en Warren, Nueva Jersey. . Cada isla tendría su propia función, por ejemplo, enviar y recibir mensajes de forma inalámbrica o transmitir datos de forma óptica al mundo exterior. Sin embargo, la mayor parte del silicio estaría disponible para realizar la computación o el almacenamiento de datos. Dichos chips de múltiples talentos podrían, por ejemplo, transportar datos alrededor de un microprocesador de forma óptica. En una computadora, los datos actualmente se mueven electrónicamente tanto dentro de los chips como entre los chips, por ejemplo, entre un microprocesador y un chip de memoria, a través de pequeños cables que ralentizan todo. Los cables son el verdadero cuello de botella en las computadoras, dice Ramdani. Si cada chip de silicio viniera con sus propios láseres integrados hechos de semiconductores compuestos para mover datos, dichos chips operarían más rápidamente por sí mismos y podrían intercambiar grandes cantidades de datos con otros chips más rápidamente. Es demasiado pronto para descartar la posibilidad de que algún problema técnico oculto envíe la creciente inversión de Motorola en su nueva tecnología a la gran cantidad de buenos intentos que salieron mal. Ciertamente, hay una serie de escépticos que todavía no están convencidos de que el superchip de la compañía alguna vez esté a la altura de sus expectativas. Sin embargo, en los tres años transcurridos desde la epifanía original de Ramdani, Motorola se ha comprometido cada vez más a asegurarse de que la tecnología cumpla con sus muchas promesas, poniendo su importante peso financiero y técnico detrás de ella. De hecho, el entusiasmo de Ramdani por el avance está lejos de disminuir. A mi modo de ver, esta tecnología va a revolucionar la industria de los semiconductores, dice. Nos permitirá hacer cosas que, hace 20 años, solo podíamos soñar hacer. Bombeo de silicio Una muestra de empresas que superan los límites de los materiales semiconductores
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