Investigadores del Technion, en Israel, sentaron las bases para alternativas de alto rendimiento al silicio en microelectrónica en el camino hacia los transistores del futuro: al extender un material de óxido a un nivel atómico, pudieron controlar su conductividad.
Se trata, afirmaron desde Haifa, donde tiene su sede la universidad tecnológica, de un avance histórico hacia la fabricación de interruptores eficientes, que son los componentes básicos de los chips de computadora.
Científicos e ingenieros de todo el mundo están enfrentando el desafío de seguir la tendencia de reducción de los transistores, un elemento central del rendimiento de los microchips.
Esos circuitos integrados son el núcleo de la vida moderna, responsables de procesar, almacenar y transferir cantidades masivas de datos.
Los chips son responsables de innumerables tareas, desde el desarrollo de vacunas y el diseño de naves espaciales a la infraestructura de internet, los vehículos autónomos y la Inteligencia Artificial.
La mejora continua del rendimiento de esos dispositivos viene siendo impulsada por la reducción del tamaño de la pieza más básica de los microchips, el transistor, un interruptor en miniatura que controla el flujo de corriente eléctrica de forma similar a un grifo que controla el flujo de agua.
La Ley de Moore
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 dos años.
Esa predicción, denominada Ley de Moore, dictó la tasa de miniaturización durante décadas. Actualmente, los chips modernos contienen miles de millones de transistores en aproximadamente un centímetro cuadrado.
En el 2007, Moore declaró que su ley llegaría a su fin en unos pocos años. El CEO de Nvidia, Jensen Huang, expresó una visión aún más pesimista el año pasado sobre los transistores del futuro, diciendo que «la Ley de Moore está muerta», una opinión compartida por otros expertos en tecnología.
«Como resultado de la miniaturización continua, los transistores modernos tienen solo unas pocas docenas de átomos de diámetro», señaló el profesor Lior Kornblum, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática Viterbi, del Technion.
Debido a que ya son tan pequeños, «continuar con la miniaturización sin comprometer su rendimiento es cada vez más desafiante -añadió-. 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 o switch) está apagado. Kornblum explicó que «se puede comparar con un grifo que gotea, multiplicado por mil millones: podría resultar en una gran cantidad de ‘agua’ desperdiciada».
Contra los desperdicios de energía
En un teléfono moderno con miles de millones de transistores, dijo el investigador, la fuga de corriente más pequeña se acumulará en un desperdicio considerable de energía, lo que podría agotar rápidamente la batería y provocar un calentamiento excesivo del dispositivo.
«Pensando en granjas de servidores y centros de datos, el desperdicio de energía puede ser sustancial y producir un calor considerable», alertó.
Existen múltiples enfoques y estrategias para abordar estos desafíos para crear los transistores del futuro. Una dirección prometedora es la búsqueda de alternativas al silicio, el caballito de batalla de los chips actuales.
El equipo del profesor Kornblum, por su parte, 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 cambiar de manera más eficiente. Pero el desarrollo de una tecnología de este tipo requiere un control preciso de las propiedades del material.
En ese frente, los científicos israelíes hallaron una ruta para manipular las propiedades eléctricas del material controlando con precisión la distancia entre sus átomos.
Capas de átomos
La directora del laboratorio, la doctora Maria Baskin, lo logró mediante el uso de un sistema único de crecimiento de óxido, depositando capas de átomos una encima de la otra, creando así películas del material.
Gracias a ese 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.
Desde el Technion afirmaron que este «sistema único» de crecimiento de óxido se estableció «con una inversión significativa» y puede habilitar el desarrollo de «las próximas generaciones de semiconductores», es decir, los transistores del futuro.
«Podemos elegir entre una variedad de átomos, controlar su disposición y el espacio entre ellos -dijo Baskin-. Usando estas capacidades, incluso podemos crear materiales que no existían antes, con una amplia gama de propiedades según nuestros requisitos».
Kornblum destacó que el crecimiento de óxido «es sólo el primer paso», ya que, a partir de allí, los miembros de su equipo «comienzan su investigación».
Algunos, dijo, «se enfocan en las propiedades físicas de los materiales, esforzándose por comprender cómo funcionan», y otros los utilizan «para fabricar dispositivos electrónicos que, esperamos, revolucionarán la microelectrónica, la energía renovable y otros campos».
(Para saber más sobre este proyecto se puede consultar, en idioma inglés, este paper en la revista Advanced Functional Materials).
