La computadora CMOS 2D impulsa una nueva era de alternativas al silicio

En el mundo de la tecnología de semiconductores, que constituye la base de la electrónica moderna, el silicio (Si) es el material más utilizado.

El segundo elemento más abundante en la Tierra después del oxígeno, el silicio ha permitido avances en la tecnología de semiconductores mediante la miniaturización. Desde microprocesadores hasta automatización, computadoras, teléfonos inteligentes y vehículos eléctricos, ha generado innovaciones en la electrónica al reducir significativamente el tamaño físico de los dispositivos.

Pero ahora, los desafíos de la escalabilidad han hecho necesario explorar nuevos materiales. Aquí, los materiales bidimensionales (2D) muestran potencial para avances sin precedentes en el rendimiento de los dispositivos a nivel atómico.

Los materiales 2D son nanomateriales ultrafinos con una sola capa de átomos. Poseen un alto grado de anisotropía y funcionalidad química, y sus atractivas propiedades electrónicas los hacen utilizables en una amplia gama de aplicaciones. El grafeno es un material 2D popular. 

Así, con su grosor atómico y alta movilidad de portadores, los materiales 2D ofrecen una alternativa prometedora. También se ha logrado un progreso significativo en el crecimiento a escala de obleas, transistores de efecto de campo (FET) de alto rendimiento y circuitos basados en estos materiales.

El FET es un tipo de transistor que utiliza un campo eléctrico para controlar la corriente a través de un semiconductor. Sirviendo como un componente electrónico crucial en la electrónica moderna, un FET actúa como un interruptor controlado en circuitos de potencia de alto voltaje y alta frecuencia.

Aunque se ha avanzado mucho, lograr la integración complementaria de óxido metálico de semiconductor (CMOS) sigue siendo un desafío. 

CMOS es un tipo de tecnología utilizada en la fabricación de circuitos integrados, particularmente en procesadores de computadoras, chips de memoria y otros dispositivos digitales. Ayuda a regular el flujo de electricidad a través de estos componentes, lo cual es crucial para su correcto funcionamiento.

Cabe destacar que CMOS utiliza tanto transistores de tipo n (NMOS) como de tipo p (PMOS) de manera complementaria para lograr funciones lógicas. 

Los transistores de tipo n conducen electricidad usando electrones cargados negativamente como portadores principales y permiten que la corriente fluya. En los transistores de tipo p, la mayoría de los portadores de carga son huecos (cargas positivas), y permiten que la corriente fluya desde la fuente de alimentación hasta la salida.

En CMOS, semiconductor de óxido metálico se refiere a los materiales usados en la construcción de los transistores: metal para la puerta, óxido para el aislamiento y semiconductor de silicio para el canal. 

Lo que hace poderoso al CMOS es que permite la creación de circuitos electrónicos complejos en un solo chip semiconductor. Además, los transistores CMOS consumen menos energía comparados con otras tecnologías, ya que solo consumen energía al cambiar de estado (encendido/apagado). Asimismo, los circuitos CMOS son conocidos por su alta fiabilidad.

Ahora, investigadores de Penn State han superado el desafío de integrar CMOS con materiales 2D. 

Lo que han hecho es desarrollar una computadora de un conjunto de instrucciones basado en CMOS de 2D. Aprovecha la integración heterogénea de transistores de efecto de campo de gran área tipo n MoS₂ y tipo p WSe₂. 

El equipo logró altas corrientes de conducción y una reducción de la fuga subumbral al ajustar los voltajes de umbral tanto para los FET 2D tipo n como tipo p. Esto se logró escalando la longitud del canal, para lo cual incorporaron un dieléctrico de puerta de alta‑κ y optimizaron el crecimiento del material y el post‑procesamiento del dispositivo.

Esto permitió el funcionamiento del circuito por debajo de 3 V con una frecuencia operativa de hasta 25 kHz, así como un consumo de energía ultra‑bajo en el rango de picovatios y una energía de conmutación de aproximadamente 100 pJ.

La computadora CMOS 2D de Penn State lleva el límite atómico

El silicio es el líder en la tecnología de semiconductores, pero a diferencia de este elemento químico, los materiales 2D de un átomo de espesor pueden mantener sus propiedades a esa escala.

Después de impulsar “avances notables en la electrónica durante décadas al permitir la miniaturización continua de los transistores de efecto de campo (FET)”, el silicio se enfrenta a un gran desafío para seguir mejorando los dispositivos, haciéndolos más pequeños y mejores. 

“A medida que los dispositivos de silicio se reducen, su rendimiento comienza a degradarse”, señaló el líder del estudio, Saptarshi Das, quien es el Profesor Ackley de Ingeniería y profesor de ciencia e ingeniería mecánica en Penn State.

En contraste, los materiales 2D mantienen sus excepcionales propiedades electrónicas incluso a su grosor atómico, ofreciendo así “un camino prometedor”. Por lo tanto, en el trabajo pionero, el equipo de investigadores utilizó materiales 2D para desarrollar una computadora capaz de realizar operaciones simples.

Publicado en Nature¹, el estudio, apoyado por la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU., detalló el gran salto en la realización de electrónica más delgada, más rápida y más eficiente energéticamente.

Como se señaló anteriormente, han creado una computadora CMOS sin depender del silicio, un metaloide tetravalente que muestra propiedades intermedias entre metales y no metales. Los investigadores lo han reemplazado con dos materiales 2D diferentes para desarrollar los dos tipos de transistores requeridos en las computadoras CMOS que controlan el flujo eléctrico.

Para los transistores tipo n, utilizaron disulfuro de molibdeno (MoS₂), una clase de materiales inorgánicos de dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) 2D que presentan un bajo coeficiente de fricción, excelente estabilidad térmica y alta resistencia al desgaste, bajo condiciones específicas. 

Para los transistores tipo p, se emplea diseleniuro de tungsteno (WSe₂). El compuesto inorgánico tiene una estructura cristalina hexagonal similar al disulfuro de molibdeno y es conocido por sus propiedades electrónicas únicas, que incluyen alta movilidad de portadores, una banda prohibida considerable y una notable relación de encendido/apagado. 

La tecnología CMOS requiere que los semiconductores tipo n y tipo p trabajen juntos para lograr alto rendimiento con bajo consumo de energía. Sin embargo, este ha sido un desafío clave que ha obstaculizado los esfuerzos por ir más allá del silicio. 

Y aunque los estudios han demostrado que los circuitos pequeños basados en materiales 2D pueden escalarse a computadoras funcionales y complejas, este logro aún no se ha alcanzado.

Según los investigadores, ese es el avance clave de su trabajo. Por primera vez, han construido una computadora CMOS completamente a partir de materiales 2D, combinando transistores de disulfuro de molibdeno y diseleniuro de tungsteno de gran área.

Para fabricar el transistor, el equipo utilizó un proceso llamado deposición química de vapor metal‑orgánica (MOCVD). En este proceso, los componentes se vaporizan, provocando una reacción química y depositando los productos sobre un sustrato.

Usando MOCVD, el equipo cultivó grandes láminas de disulfuro de molibdeno y diseleniuro de tungsteno y fabricó más de 1 000 transistores de cada tipo. 

Luego, mediante cambios cuidadosos en la fabricación del dispositivo y el post‑procesamiento, el equipo pudo ajustar los voltajes de umbral de los transistores tipo n y tipo p, lo que a su vez permitió el desarrollo de circuitos lógicos CMOS totalmente funcionales.

Según Subir Ghosh, el primer autor del estudio y estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería mecánica:

“Nuestra computadora CMOS 2D opera a bajos voltajes de suministro con un consumo de energía mínimo y puede realizar operaciones lógicas simples a frecuencias de hasta 25 kilohertz.” 

Aunque esta frecuencia operativa es baja en comparación con los circuitos CMOS de silicio convencionales, Ghosh señaló que su computadora aún puede ejecutar operaciones lógicas simples.

“También desarrollamos un modelo computacional, calibrado con datos experimentales e incorporando variaciones entre dispositivos, para proyectar el rendimiento de nuestra computadora CMOS 2D y compararla con la tecnología de silicio de última generación. Aunque aún hay margen para una mayor optimización, este trabajo marca un hito significativo en el aprovechamiento de materiales 2D para avanzar el campo de la electrónica.”

– Ghosh

Así que, aunque es un gran logro, el trabajo aún no ha terminado. Se requiere más investigación para desarrollar aún más el enfoque de la computadora CMOS 2D para un uso más amplio. Sin embargo, Das enfatizó el rápido avance del campo en comparación con el desarrollo de la tecnología de silicio.

“La tecnología de silicio ha estado en desarrollo durante unos 80 años, pero la investigación en materiales 2D es relativamente reciente, surgió realmente alrededor de 2010. Esperamos que el desarrollo de computadoras basadas en materiales 2D sea también un proceso gradual, pero este es un salto adelante comparado con la trayectoria del silicio.”

– Das

Construyendo microchips con materiales 2D a escala

Hace un par de meses, científicos en China también informaron el desarrollo de un microchip² usando disulfuro de molibdeno. El chip tiene 5 931 transistores, cada uno de los cuales tiene tres átomos de grosor.

Se cree que el disulfuro de molibdeno (MoS₂) permite la continuación de la Ley de Moore una vez que el silicio no pueda proporcionar más progreso.

“Aunque los materiales 2D han sido ampliamente defendidos durante más de una década, la verdadera limitación para su desarrollo actual no es el rendimiento de un solo dispositivo, ya que muchos dispositivos electrónicos 2D funcionan muy bien a nivel de laboratorio.”

– Wenzhong Bao, profesor de la Universidad de Fudan

La practicidad de los materiales 2D está siendo cuestionada debido a la “falta de un sistema tecnológico integrado que sea escalable, repetible y compatible con procesos industriales”, añadió.

Así, el equipo creó un microchip novedoso llamado RV32‑WUJI. Posee casi 6 000 transistores MoS₂ fabricados usando tecnologías CMOS convencionales, marcando la transición de la investigación de laboratorio a aplicaciones de ingeniería a nivel de sistema.

El microchip está equipado con una arquitectura RISC‑V que puede ejecutar instrucciones estándar de 32 bits. El nuevo procesador está construido sobre un sustrato de zafiro aislante que separa electrónicamente un transistor de otro. También se ha desarrollado una biblioteca de celdas estándar para RV32‑WUJI, que contiene 25 tipos de unidades lógicas para realizar funciones básicas. Para optimizar cada paso del proceso, el equipo utilizó aprendizaje automático. 

Los investigadores han alcanzado un rendimiento de fabricación del 99,77 %. El chip también consume apenas 0,43 mW de potencia al realizar operaciones aritméticas. 

Si bien los chips de silicio poseen millones de veces más transistores y frecuencias operativas que son mucho más rápidas que el nuevo dispositivo, Bao afirmó que el nuevo trabajo se basa en un laboratorio, a diferencia de los semiconductores basados en silicio, en los que se han invertido enormes recursos de I+D durante varias décadas. Si la industria adopta semiconductores 2D, “creemos que el ritmo para ponerse al nivel del rendimiento basado en silicio será más rápido de lo que podemos imaginar”, añadió.

El material activo 2D disulfuro de molibdeno (MoS₂) recientemente también recibió una mejora de platino (Pt) a nivel atómico en un nuevo estudio³ realizado por la Universidad de Viena y la Universidad Técnica de Viena.

Los investigadores incrustaron átomos individuales de Pt sobre una monocapa ultrafina de MoS₂ y, por primera vez, localizaron sus posiciones exactas dentro de la red con precisión atómica mediante un enfoque innovador.

Su método, que integra la creación dirigida de defectos en la monocapa de MoS₂, la deposición controlada de platino y una técnica de imagen microscópica computacional de alto contraste, según los investigadores, ofrece nuevas vías para comprender y diseñar características a escala atómica en sistemas 2D.

Más allá de CMOS: materiales híbridos 2D y vías cuánticas

Los investigadores han buscado durante mucho tiempo nuevos materiales para reemplazar al silicio en la electrónica de próxima generación. Estos materiales deben ofrecer mayor rendimiento y menor consumo de energía, al mismo tiempo que sean escalables, lo que los lleva a los materiales 2D.

Un trabajo multinstitucional co‑liderado por MIT hace un par de años logró dos avances técnicos y también fue el primero en reportar que su método, dicalcogenuros de metales de transición (TMD), para crecer materiales semiconductores haría que los dispositivos fueran más rápidos y más eficientes energéticamente.

Para crear los nuevos materiales, el equipo tuvo que superar tres desafíos a escala de oblea o gran escala: asegurar la cristalinidad única, heteroestructuras verticales y prevenir espesores no uniformes.

A diferencia de los materiales 3D, que experimentan rugosidad y alisado para lograr una superficie uniforme, los materiales 2D no permiten este proceso, lo que resulta en una superficie desigual. Esto dificulta la producción de un material 2D de gran escala, de alta calidad y uniforme.

Así, el equipo construyó una estructura confinada que promueve el control cinético de los materiales 2D, lo que no solo resolvió todos los desafíos sino que también requirió un crecimiento de semilla auto‑definido para reducir el tiempo de crecimiento.

El otro avance técnico consistió en demostrar heterouniones TMD de dominio único a gran escala, capa por capa. 

La investigación en materiales 2D está en constante expansión, con científicos que intentan desbloquear nuevas funcionalidades para un futuro más avanzado. 

Hace apenas unas semanas, científicos de materiales de la Universidad de Rice crearon un auténtico híbrido 2D⁴ al integrar químicamente grafeno y vidrio de sílice, dos materiales 2D fundamentalmente diferentes, en un compuesto llamado glaphene.

Según el primer autor del estudio, Sathvik Ajay Iyengar:

“Las capas no solo reposan una sobre otra ⎯ los electrones se mueven y forman nuevas interacciones y estados de vibración, dando lugar a propiedades que ninguno de los materiales posee por sí solo.” 

En este esfuerzo intercontinental, se desarrolló un método de dos pasos y una sola reacción para crecer glaphene usando un precursor químico líquido que contiene tanto carbono como silicio. Ajustar los niveles de oxígeno durante el calentamiento les permitió primero crecer grafeno y luego cambiar las condiciones a favor de la formación de la capa de sílice.

Cabe destacar que el método puede aplicarse a una amplia gama de materiales 2D, abriendo la puerta al desarrollo de materiales 2D personalizados para la electrónica de próxima generación y dispositivos cuánticos.

Científicos en Corea también han utilizado materiales semiconductores 2D para descubrir un nuevo estado cuántico⁵ que puede impulsar computadoras cuánticas más estables. El nuevo estado cuántico descubierto también puede aprovecharse en un chip semiconductor 2D para controlar la información cuántica de manera más fiable. 

Los materiales diminutos han liderado grandes avances en la computación cuántica durante algún tiempo, y la investigación más reciente del Instituto de Ciencia y Tecnología de Daegu Gyeongbuk (DGIST) está abriendo vías para nuevos dispositivos reconfigurables de almacenamiento de datos. 

“Hemos descubierto un nuevo estado cuántico, conocido como estado de síntesis excitón‑Floquet, y propuesto un mecanismo novedoso para el entrelazamiento cuántico y la extracción de información cuántica. Se anticipa que esto impulsará la investigación en tecnología de información cuántica en semiconductores bidimensionales.”

– Jaedong Lee del DGIST

El año pasado, científicos de JMU Würzburg y TU Dresden, mientras tanto, desarrollaron un recubrimiento protector para materiales cuánticos 2D que los protege de influencias ambientales sin comprometer sus propiedades revolucionarias. 

Los científicos habían descubierto previamente que los semiconductores cuánticos extremadamente delgados requieren equipos de vacío sofisticados y un material de sustrato específico. Utilizar materiales 2D en componentes electrónicos implica retirarlos del entorno de vacío, pero incluso una breve exposición al aire conduce a la oxidación y destruye sus propiedades, “dejándolos inservibles”.

Así, el equipo buscó un método para proteger la capa sensible de los elementos ambientales mediante un recubrimiento protector. Después de dos años, lograron el éxito. El equipo utilizó herramientas de vacío ultrahigh avanzadas para experimentar con el calentamiento de carburo de silicio como sustrato para indeneno.

El equipo ve que esto allana el camino para aplicaciones que involucren capas atómicas de semiconductores extremadamente sensibles. Actualmente están identificando más materiales de Van der Waals para servir como capas protectoras.

Inversión en tecnología de semiconductores 2D

Trabajando activamente en abordar los desafíos de la reducción de dimensiones de los transistores, Applied Materials (AMAT ) desempeña un papel significativo en el desarrollo y escalado de semiconductores 2D. Es, de hecho, una de las pocas empresas posicionadas para habilitar la transición industrial a la producción de semiconductores 2D mediante equipos de fabricación y química de procesos.

El desempeño del mercado del capitalización de $137 mil millones de Applied Materials también revela una fuerte tendencia alcista. 

Applied Materials (AMAT )

Actualmente, las acciones de Applied Materials cotizan a $170,50, con un aumento del 4,9 % en lo que va del año y una caída de solo el 33,6 % respecto a su máximo histórico alcanzado el verano pasado. Su EPS (TTM) es 8,21, y el P/E (TTM) es 20,78, mientras que el rendimiento de dividendo ofrecido es del 1,08 %.

En cuanto a los estados financieros de la compañía, Applied Materials reportó ingresos de $7,10 mil millones, un incremento del 7 % interanual, para el segundo trimestre que finalizó el 27 de abril de 2025.

Este “fuerte desempeño” se entregó “a pesar del entorno económico y comercial dinámico”, dijo Brice Hill, vicepresidente senior y director financiero. La compañía también informó que no hubo cambios significativos en la demanda de los clientes.

Su margen bruto GAAP fue del 49,1 % y su margen bruto no GAAP del 49,2 %, mientras que el EPS GAAP aumentó un 28 % a $2,63 y el EPS no GAAP subió un 14 % a $2,39. Durante este período, la compañía generó $1,57 mil millones en efectivo de operaciones y distribuyó $2 mil millones a los accionistas mediante $325 millones en dividendos y $1,67 mil millones en recompras de acciones.

“Las amplias capacidades de Applied Materials y su portafolio de productos conectados están impulsando resultados sólidos en 2025 en medio de un entorno macro altamente dinámico.”

– CEO Gary Dickerson

Señaló que la computación de IA de alto rendimiento y eficiencia energética sigue siendo el principal motor de la innovación en semiconductores.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Applied Materials (AMAT)

Conclusión

Al construir las primeras computadoras CMOD funcionales del mundo completamente a partir de materiales 2D de un átomo de grosor, los investigadores no solo han desafiado la larga dominancia del silicio en la electrónica, sino que también han presentado una solución al problema existente de hacer que los dispositivos electrónicos sean más pequeños, más rápidos y mejores.

Más de 2 000 transistores fabricados por el equipo son capaces de ejecutar operaciones lógicas en una computadora, lo que elimina la necesidad del silicio tradicional.

Aunque aún está en una fase incipiente, el avance apunta a un futuro emocionante donde la electrónica de alto rendimiento, más eficiente energéticamente y más delgada, impulsada por materiales de un solo átomo, se convierta en la nueva realidad.

Haga clic aquí para aprender por qué los semiconductores en capas pueden ser el próximo salto en el almacenamiento de memoria.

Estudios referenciados:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. Un ordenador de un conjunto de instrucciones basado en materiales bidimensionales complementarios. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. Un microprocesador RISC‑V de 32 bits basado en semiconductores bidimensionales. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. Uniones p‑n programables en transistores semiconductores bidimensionales. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphene: una hibridación de vidrio de sílice 2D y grafeno. Adv. Mater. 2025, Publicado en línea el 28 de mayo de 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Nuevos estados cuánticos de compuestos excitón‑Floquet: entrelazamiento electrón‑hueco e información. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100