Semiconductores de Grafeno – ¿Están finalmente aquí?

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

También conocidos como microchips o circuitos integrados (ICs), los semiconductores son materiales que poseen una conductividad eléctrica que se sitúa entre la de los conductores como el aluminio y el cobre y la de los 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 su temperatura aumenta, a diferencia de cómo se comportan los metales.

Algunos ejemplos de semiconductores incluyen el silicio y el germanio, que son elementos puros y pueden encontrarse fácilmente en la naturaleza. Luego, existen 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 dopado.

Así, según su pureza, los semiconductores se clasifican en — semiconductores intrínsecos, que son materiales naturales compuestos de un solo tipo de átomo y pueden usarse directamente en dispositivos, y semiconductores extrínsecos, que deben doparse primero para ser utilizados en dispositivos. La transformación de semiconductores intrínsecos da lugar a dos tipos de semiconductores extrínsecos: tipo N o donadores y tipo P o aceptores.

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

Con los semiconductores, obtenemos la ventaja de no tener filamentos. Por lo tanto, no necesitan calentarse para emitir electrones. Esto también significa que los semiconductores pueden operarse de inmediato. Además, son de pequeño tamaño; por lo tanto, son compactos, portátiles y consumen menos energía. También, los semiconductores no son muy costosos.

Los semiconductores son una parte integral de nuestras vidas, ya que sin ellos no habría televisión, radio, computadoras, teléfonos inteligentes, automóviles, refrigeradores y videojuegos. Básicamente, los semiconductores permiten la creación de diminutos interruptores que pueden encenderse y apagarse para controlar el flujo de electricidad, y este flujo eléctrico a través de los circuitos permite que los dispositivos electrónicos funcionen.

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

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

Las empresas que trabajan con semiconductores generalmente organizan sus actividades alrededor del diseño o la fabricación. Las que se centran en el diseño se denominan empresas “fabless”, mientras que las que se enfocan únicamente en la fabricación se llaman “foundries”, y las que hacen ambas se denominan Fabricantes de Dispositivos Integrados, o IDMs.

En los últimos años, ha habido una crisis de semiconductores. Desde finales de 2020, después de la pandemia y los confinamientos, a medida que la demanda de dispositivos electrónicos se disparó, se ha producido una escasez de microchips y circuitos electrónicos a nivel mundial.

Mientras 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 IA, realidad virtual, 5G, big data y servicios en la nube que han agravado aún más la situación.

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

Un gran descubrimiento: el primer semiconductor de grafeno funcional 

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 en uso hoy en día es el silicio, que desempeña un papel crítico en la fabricación de la mayoría de los circuitos electrónicos. Pero el material está llegando a su límite — requiere una gran cantidad de energía, lo que ha llevado a los científicos a buscar una alternativa.

Y hay otro elemento, el grafeno, que no se considera un semiconductor pero puede usarse para fabricar chips y circuitos. Es un material altamente conductor que disipa el calor de manera muy eficaz, mejorando el rendimiento de los componentes electrónicos. También posee una velocidad y eficiencia energética superiores en comparación con el silicio sin necesitar grandes cantidades de energía, lo que lo hace extremadamente beneficioso para la creación de dispositivos electrónicos.

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

Sin mencionar que esta única hoja de átomos de carbono es un excelente conductor de calor y electricidad y posee interesantes capacidades de absorción de luz. Por lo 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, entre los que se incluye la excepcional conductividad eléctrica del grafeno, lo que dificulta su uso como semiconductor. Por lo tanto, necesita una banda prohibida (bandgap) que permita a los semiconductores encenderse y apagarse, la cual normalmente no posee. Para introducir una banda prohibida en el grafeno, los científicos han fabricado grafeno en formas específicas o han utilizado otros materiales 2D que tienen una banda prohibida inherente, pero no han logrado producir un grafeno semiconductor viable.

A medida que los científicos trabajan con el grafeno, se logró recientemente un avance donde los investigadores demostraron el primer semiconductor de grafeno funcional, lo que implica cambiar el mundo de la computación y la electrónica para siempre. Esto se logró superando el obstáculo que había afectado la investigación del grafeno durante muchos años, al obtener la banda prohibida adecuada que pudiera encenderse y apagarse en la proporción correcta, presentando una etapa crucial para hacer realidad la electrónica basada en chips de grafeno.

El semiconductor de grafeno con una banda prohibida no solo 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 puede usarse en nanoelectrónica.

Para ello, Walter de Heer, profesor de física en el Georgia Institute of Technology, dirigió un grupo de investigación y colaboró con la Universidad de Tianjin de China. Y dijo:

“Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con diez veces la movilidad del silicio, y que también posee propiedades únicas no disponibles en el silicio. Pero la historia de nuestro trabajo durante los últimos diez años ha sido, ‘¿Podemos lograr 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 se centró en el 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 desintegrarse.

El 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 así como un proceso especial de calentamiento y enfriamiento. 

Esto dio lugar al grafeno epitaxial, que es una capa que crece sobre 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 crear un transistor funcional, el equipo debe asegurarse de que sus propiedades no se dañen al manipular el material semiconductor para que funcione como un transistor funcional. Para ello, el equipo tuvo que primero comprobar si el material era un buen conductor y utilizar la técnica de dopado, 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 una movilidad mucho mayor que la del silicio, lo que significa que los electrones se desplazan con muy baja resistencia. En electrónica, esto se traduce en una computación más rápida.

“Es como conducir por un camino de grava en comparación con conducir por una autopista”, dijo de Heer. “Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones se desplacen más rápido”.

Un avance revolucionario para impulsar la electrónica del futuro

Fue después de diez años de investigación que 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 deseable de modo que el grafeno pueda actuar como un semiconductor de alta calidad.

Al hablar de hacer posible la electrónica de grafeno, de Heer señaló:

“Tuvimos que aprender a tratar el material, a mejorarlo cada vez más y, finalmente, a medir sus propiedades. Eso tomó mucho, mucho tiempo”.

El semiconductor es actualmente solo bidimensional (2D) con todas las propiedades necesarias para ser utilizado en nanoelectrónica. Sus propiedades eléctricas también son mucho superiores a las de otros semiconductores bidimensionales que están en desarrollo. Los expertos creen que el descubrimiento puede cambiar completamente el rostro de la industria electrónica al permitirnos crear nuevos y potentes semiconductores de grafeno que consumen 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”, declaró el Science and Technology Daily con sede en Pekín.

Los dispositivos electrónicos basados en grafeno son simplemente más eficientes, ya que necesitan menos energía para encenderse y apagarse, y además, los electrones pueden fluir sin generar calor que luego deba enfriarse con aún más energía. Esto significa “los teléfonos podrían durar semanas sin quedarse sin batería, reducir el consumo de energía en todas las áreas de nuestras vidas, disminuyendo costos y la contaminación de los combustibles fósiles”, dijo Sarah Haigh, profesora de materiales en el National Graphene Institute del Reino Unido, Universidad de Manchester, en una entrevista.

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

Los investigadores señalaron en el estudio que los electrones en esta alternativa al silicio, al igual que la luz, poseen propiedades que se asemejan a ondas mecánicas cuánticas. Estas propiedades pueden aprovecharse muy bien a temperaturas muy bajas. Los investigadores ahora pretenden explorar esto en investigaciones posteriores.

El grafeno epitaxial permite que los electrones se desplacen con menos resistencia, lo que significa que los transistores fabricados de esta manera pueden operar a frecuencias de terahercios. Ayuda a superar los límites del silicio, que incluyen la velocidad a la que los transistores pueden encenderse y apagarse, el tamaño mínimo que pueden alcanzar y el calor generado.

De esta manera, el nuevo material podría provocar un cambio de paradigma en el campo de la electrónica, permitiendo que se aprovechen las propiedades de onda cuántica de los electrones, un requisito para la computación cuántica. Un paso importante hacia la próxima generación de computación, esto puede abrir las puertas a una nueva forma de construir dispositivos electrónicos que sean más pequeños y rápidos.

Como señaló de Heer, no se trata solo de la capacidad del grafeno para “hacer las cosas más pequeñas y rápidas y con menos disipación de calor”, sino de aprovechar las “propiedades de los electrones que no son accesibles en el silicio”, presentando “un cambio de paradigma — es una forma diferente de hacer electrónica”.

Esto significa que otra generación de electrónica está ahora inminente. Durante mucho tiempo, el silicio ha liderado la electrónica, lo que supuso un paso más allá de los tubos de vacío, que a su vez siguieron a los cables y telégrafos, y ahora el grafeno será el próximo líder.

“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 preguntaron por qué el mundo necesitaría volar cuando ya tenía trenes y barcos rápidos. Sin embargo, persistieron, y fue el comienzo de una tecnología que puede llevar a la gente a través de océanos”.

Además, puede escalarse. Anteriormente, el grafeno había mostrado promesas como semiconductor, pero solo a pequeña escala. Escalar 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 usadas para crear chips de silicio y es compatible con los métodos convencionales de procesamiento de microelectrónica, lo que lo hace más factible de escalar.

La investigación utilizó obleas, que, según David Carey de la Universidad de Surrey del Reino Unido, son “realmente, verdaderamente escalables”, y la tecnología que utiliza actualmente la industria de semiconductores puede usarse para “escalar este proceso”.

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

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