Semiconductores de grafeno: ¿finalmente están aquí?

Hoy en día, los semiconductores impulsan el mundo moderno. Son la columna vertebral de los dispositivos electrónicos y un descubrimiento pretende transformar sustancialmente la industria electrónica. 

También conocidos como microchips o circuitos integrados (IC), semiconductores Son materiales que tienen una conductividad eléctrica que se sitúa entre la de conductores como el aluminio y el cobre y la de aislantes como la cerámica y el vidrio.

Los semiconductores son sensibles a la luz y al calor y su resistencia varía. La resistividad de un semiconductor disminuye a medida que aumenta su temperatura, a diferencia de cómo se comportan los metales.

Algunos ejemplos de semiconductores incluyen el silicio y el germanio, que son elementos puros y se pueden encontrar fácilmente en la naturaleza. Luego, están compuestos como el seleniuro de cadmio y el arseniuro de galio. Además, para alterar la conductividad o las propiedades de los materiales, se añaden pequeñas cantidades de impurezas a los semiconductores puros mediante un proceso llamado dopaje.

Entonces, dependiendo de su pureza, los semiconductores se clasifican en semiconductores intrínsecos, que son materiales naturales hechos de un solo tipo de átomo y pueden usarse directamente en dispositivos, y semiconductores extrínsecos, que primero deben ser dopados para poder usarse en dispositivos. La transformación de semiconductores intrínsecos trae consigo dos tipos de semiconductores extrínsecos: tipo N o donantes y tipo P o aceptores.

Los semiconductores se utilizan para diodos, que convierten la corriente alterna en transistores directos o amplificadores de corriente, y circuitos electrónicos, que son esenciales en la fabricación de diferentes tipos de dispositivos electrónicos.

Con los semiconductores tenemos la ventaja de no tener filamentos. Como tales, no es necesario calentarlos para emitir electrones. Esto también significa que los semiconductores pueden funcionar inmediatamente. Además, son de tamaño pequeño; por lo tanto, son compactos, portátiles y utilizan menos energía. Además, los semiconductores no son muy caros.

Los semiconductores son una parte integral de nuestras vidas, ya que sin ellos no habría televisión, radio, computadoras, teléfonos inteligentes, automóviles, refrigeradores ni videojuegos. Básicamente, los semiconductores permiten la creación de pequeños interruptores que se pueden encender y apagar para controlar el flujo de electricidad, ya que esta electricidad que fluye a través de los circuitos eléctricos permite que funcionen los dispositivos electrónicos.

Esto convierte a los semiconductores en un componente esencial de los dispositivos electrónicos para permitir avances en informática, comunicaciones, atención médica, transporte, energía limpia, defensa, electrodomésticos, hardware de juegos y muchas otras aplicaciones.

Durante las últimas décadas, los avances en la tecnología de semiconductores han hecho que estos dispositivos electrónicos no sólo sean más pequeños sino también más rápidos, sofisticados, compatibles y confiables.

Las empresas que trabajan con semiconductores generalmente organizan sus actividades en torno al diseño o la fabricación. Las que se centran en el diseño se denominan empresas “sin fábrica”, mientras que las que se centran únicamente en la fabricación se denominan “fundiciones” y las que hacen ambas cosas se denominan fabricantes de dispositivos integrados o IDM.

En los últimos años ha habido una crisis de semiconductores. Desde finales de 2020, después de la pandemia y los confinamientos, a medida que aumentó la demanda de dispositivos electrónicos, ha habido escasez de microchips y circuitos electrónicos en todo el mundo. 

Si bien las clases en línea, el trabajo remoto y la creciente digitalización provocaron un enorme crecimiento en la demanda de dispositivos electrónicos, los nuevos avances tecnológicos han dado lugar a tecnologías disruptivas como la IA, la realidad virtual, el 5G, los big data y los servicios en la nube que han exacerbado aún más la situación. 

En respuesta a esto, empresas de todo el mundo están invirtiendo enormes cantidades de recursos para encontrar una solución al problema. 

Un gran descubrimiento: el primer semiconductor funcional de grafeno 

El arseniuro de galio es un semiconductor popular utilizado en células solares, diodos láser y circuitos integrados de frecuencia de microondas. Sin embargo, el semiconductor más común que se utiliza hoy en día es el silicio, que desempeña un papel fundamental en la fabricación de la mayoría de los circuitos electrónicos. Pero el material está llegando a su límite: requiere una gran cantidad de energía, por lo que los científicos están trabajando para encontrar una alternativa.

Y existe otro elemento, el grafeno, que no se considera un semiconductor, pero puede utilizarse para fabricar chips y circuitos. Es un material altamente conductor que disipa el calor de forma muy eficaz, mejorando el rendimiento de los componentes electrónicos. Además, ofrece una velocidad y una eficiencia energética superiores a las del silicio, sin necesidad de grandes cantidades de energía, lo que lo hace extremadamente beneficioso para la creación de productos electrónicos.

El grafeno es un material extremadamente delgado, una capa de carbono de solo un átomo de espesor dispuesta en hexágonos, y es la base del grafito. A pesar de ser el material más fino conocido por el hombre, es muy resistente (unas 200 veces más resistente que el acero) y flexible. 

Sin mencionar que esta única lámina de átomos de carbono es un gran conductor de calor y electricidad y posee algunas interesantes capacidades de absorción de luz. Por tanto, este material tiene el potencial de revolucionar muchas aplicaciones, incluidos sensores, células solares, baterías y más.

Sin embargo, el material no está exento de problemas, como la excepcional conductividad eléctrica del grafeno, que dificulta su uso como semiconductor. Por lo tanto, necesita una banda prohibida que permita que los semiconductores se activen y desactiven, una característica que no suele tener. Para introducir esta banda prohibida en el grafeno, los científicos han fabricado grafeno en formas específicas o han utilizado otros materiales 2D con una banda prohibida inherente, pero no han logrado producir grafeno semiconductor viable. 

Mientras los científicos trabajan con grafeno, recientemente se logró un gran avance cuando los investigadores demostraron el primer semiconductor funcional de grafeno, lo que significa cambiar el mundo de la informática y la electrónica para siempre. Esto se logró superando el obstáculo que estuvo afectando la investigación del grafeno durante muchos años, al tener la banda prohibida adecuada que pudiera encenderse y apagarse en la proporción correcta, lo que presenta una etapa fundamental para hacer realidad la electrónica basada en chips de grafeno.

El semiconductor de grafeno con banda prohibida no sólo es funcional, sino que también puede integrarse en los procesos de fabricación existentes. Publicado en Nature en la primera semana de 2024, el estudio mostró un semiconductor de grafeno funcional que se puede utilizar en nanoelectrónica.

Para ello, Walter de Heer, profesor de física del Instituto Tecnológico de Georgia, dirigió un grupo de investigación y colaboró ​​con la Universidad de Tianjin de China. Declaró:

“Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con diez veces la movilidad del silicio y que también tiene propiedades únicas que no están disponibles en el silicio. Pero la historia de nuestro trabajo durante los últimos diez años ha sido: '¿Podemos conseguir que este material sea lo suficientemente bueno para funcionar?'”

Al principio de su carrera, De Heer comenzó explorando materiales basados ​​en carbono como posibles semiconductores, y luego pasó al grafeno 2D hace más de veinte años. El equipo estaba "motivado por la esperanza de introducir tres propiedades especiales del grafeno en la electrónica": un material extremadamente robusto, su capacidad para manejar corrientes muy grandes y hacerlo sin calentarse ni desmoronarse.

El gran avance se logró cuando el equipo descubrió cómo cultivar grafeno en obleas de carburo de silicio, que se utilizan en dispositivos electrónicos y permiten una conversión eficiente de energía, mediante el uso de hornos especializados y un proceso especial de calentamiento y enfriamiento. 

Esto condujo al grafeno epitaxial, que es una capa que crece en la cara cristalina del carburo de silicio (un compuesto cristalino duro que contiene silicio y carbono) que, cuando se fabrica correctamente, se une químicamente al carburo de silicio y muestra propiedades semiconductoras.

Para fabricar un transistor funcional, el equipo debe asegurarse de que sus propiedades no se dañen cuando se manipula el material semiconductor para que funcione como un transistor funcional. Para ello, el equipo tuvo que comprobar primero si el material era buen conductor y utilizar la técnica de dopaje para ello, y funcionó sin dañar el material ni sus propiedades. 

La transición a las obleas de carburo de silicio, según De Heer, es “bastante factible”. El estudio encontró que su semiconductor de grafeno tiene mucha mayor movilidad que el silicio, lo que significa que los electrones se mueven con una resistencia muy baja. En electrónica, esto se traduce en una computación más rápida. 

"Es como conducir por un camino de grava en lugar de por una autopista", dijo de Heer. "Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones se muevan más rápido".

Avance revolucionario para impulsar la electrónica del futuro

Después de diez años de investigación, el último estudio descubrió cómo cultivar grafeno en chips especiales de carburo de silicio. El equipo alteró las propiedades químicas del grafeno para lograr la estructura deseada para que el grafeno pueda actuar como un semiconductor de alta calidad.

Hablando de hacer realidad la electrónica con grafeno, de Heer señaló:

“Tuvimos que aprender cómo tratar el material, cómo hacerlo cada vez mejor y, finalmente, cómo medir las propiedades. Eso tomó mucho, mucho tiempo”.

Actualmente, el semiconductor es sólo bidimensional (2D) y tiene todas las propiedades necesarias para ser utilizado en nanoelectrónica. Sus propiedades eléctricas también son muy superiores a las de otros semiconductores bidimensionales que se encuentran actualmente en funcionamiento. Los expertos creen que el descubrimiento puede cambiar completamente la faz de la industria electrónica al permitirnos crear nuevos y potentes semiconductores de grafeno que utilizan menos energía que el silicio.

“Esta investigación no solo ha mantenido la notable estabilidad del grafeno, sino que también ha introducido nuevas características electrónicas, allanando el camino para los chips basados ​​en grafeno”, afirmó el Science and Technology Daily, con sede en Beijing.

Los dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno son simplemente más eficientes, ya que requieren menos energía para encenderse y apagarse. Además, los electrones pueden fluir sin producir calor que luego requiere enfriarse con aún más energía. Esto significa que «los teléfonos podrían durar semanas sin quedarse sin batería, reducir el consumo de energía en todos los aspectos de nuestra vida, así como los costes y la contaminación de los combustibles fósiles», declaró Sarah Haigh, profesora de materiales del Instituto Nacional de Grafeno del Reino Unido, Universidad de Manchester, en una entrevista.

Esto podría allanar el camino para chips que impulsen computadoras personales y computadoras cuánticas más avanzadas en el futuro. 

Los investigadores señalaron en el estudio que los electrones en esta alternativa de silicona, al igual que la luz, tienen propiedades que se asemejan a las ondas de la mecánica cuántica. Estas propiedades pueden aprovecharse perfectamente a temperaturas muy bajas. Los investigadores ahora tienen la intención de explorar esto en investigaciones posteriores.

El grafeno epitaxial permite que los electrones se muevan con menos resistencia, lo que significa que los transistores fabricados de esta manera pueden funcionar a frecuencias de terahercios. Ayuda a superar los límites del silicio, que incluyen la rapidez con la que se pueden encender y apagar los transistores, el tamaño más pequeño que se pueden fabricar y el calor generado. 

De esta manera, el nuevo material podría provocar un cambio de paradigma en el campo de la electrónica, que permite aprovechar las propiedades de onda mecánica cuántica del electrón, un requisito para computación cuántica. Un paso importante hacia la próxima generación de informática, que puede abrir las puertas a una nueva forma de construir dispositivos electrónicos que sean más pequeños y más rápidos.

Como señaló de Heer, no es solo la capacidad del grafeno de "hacer cosas más pequeñas y más rápidas y con menos disipación de calor", sino también utilizar las "propiedades de los electrones que no son accesibles en el silicio", lo que presenta "un cambio de paradigma: es una forma diferente de hacer electrónica". 

Esto significa que ahora es inminente otra generación de electrónica. Desde hace mucho tiempo, el silicio lidera la electrónica, que estaba un paso por encima de los tubos de vacío, que vinieron después de los cables y los telégrafos, y ahora el grafeno sería el siguiente en liderar el camino.

"Para mí, esto es como el momento de los hermanos Wright", dijo de Heer. “Construyeron un avión que podía volar 300 pies en el aire. Pero los escépticos se preguntaron por qué el mundo necesitaría vuelos cuando ya contaba con trenes y barcos rápidos. Pero persistieron y fue el comienzo de una tecnología que puede llevar a las personas a través de los océanos”.

Además, se puede escalar. Anteriormente, el grafeno se había mostrado prometedor como semiconductor, pero sólo a pequeña escala. Ampliar los semiconductores de grafeno a tamaños prácticos de chips de computadora ha sido un desafío. Sin embargo, el último avance utilizó un proceso similar a las técnicas utilizadas en la creación de chips de silicio y es compatible con los métodos de procesamiento de microelectrónica convencionales, lo que hace que su ampliación sea más factible.

La investigación utilizó obleas, que, según David Carey, de la Universidad de Surrey, en el Reino Unido, son "realmente, verdaderamente escalables", y la tecnología utilizada actualmente por la industria de semiconductores se puede utilizar para "ampliar este proceso".

Dicho esto, queda por ver si los últimos semiconductores de grafeno realmente pueden funcionar mejor que la tecnología superconductora actual. Además, para que el mundo pase a los chips de grafeno, será necesario perfeccionar nuevas investigaciones en cuanto a calidad, tamaño y técnicas de fabricación. Esto significa que será un largo viaje y puede llevar más de una década lograr plenamente la implementación industrial de los semiconductores de grafeno.

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