El chip de silicio semiconductor puso en marcha la revolución de la electrónica y la informatización, que ha hecho que la vida en los primeros años del siglo XXI resulte apenas reconocible en comparación con la del inicio del siglo pasado. Los circuitos integrados (IC) de silicio sustentan prácticamente todo lo que hoy damos por sentado en nuestro mundo digital e interconectado: controlan los sistemas que utilizamos y nos permiten acceder a la información y compartirla a voluntad.
El ritmo de progreso desde el primer transistor de silicio, en 1947, ha sido enorme, con un número de transistores en un solo chip que ha pasado de unos pocos miles en los primeros circuitos integrados a más de dos mil millones en la actualidad. La ley de Moore –según la cual la densidad de transistores se duplicará cada dos años– sigue siendo válida 50 años después de que se propusiera.
La ley de Moore sigue siendo válida tras 50 años.
shigeru23, CC BY-SA
Sin embargo, la electrónica de silicio se enfrenta a un desafío: los circuitos más recientes miden solo 7 nm de ancho, entre un glóbulo rojo (7.500 nm) y una sola hebra de ADN (2,5 nm). El tamaño de los átomos de silicio individuales (alrededor de 0,2 nm) sería un límite físico difícil de superar (con circuitos de un átomo de ancho), pero su comportamiento se vuelve inestable y difícil de controlar antes de llegar a ese punto.
Sin la capacidad de reducir aún más los circuitos integrados, el silicio no puede seguir logrando las mejoras que ha conseguido hasta ahora. Afrontar este desafío puede exigir repensar cómo fabricamos los dispositivos o, incluso, si necesitamos una alternativa al propio silicio.
Velocidad, calor y luz
Para entender el desafío, debemos analizar por qué el silicio se convirtió en el material preferido para la electrónica. Si bien tiene muchas ventajas –es abundante, relativamente fácil de procesar, presenta buenas propiedades físicas y posee un óxido nativo estable (SiO2) que resulta ser un buen aislante–, también tiene varios inconvenientes.
Por ejemplo, una gran ventaja de combinar cada vez más transistores en un solo chip es que permite que un circuito integrado procese la información más rápido. Pero este aumento de velocidad depende de forma decisiva de la facilidad con que los electrones se desplazan dentro del material semiconductor. Esto se conoce como movilidad electrónica, y, aunque los electrones en el silicio son bastante móviles, lo son mucho más en otros materiales semiconductores, como el arseniuro de galio, el arseniuro de indio y el antimoniuro de indio.
Las útiles propiedades conductoras de los semiconductores no solo se refieren al movimiento de los electrones, sino también al movimiento de lo que se denominan huecos electrónicos –los espacios que quedan en la red de electrones que giran alrededor del núcleo tras haber sido expulsados los electrones.
Los circuitos integrados modernos utilizan una técnica denominada semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) que emplea un par de transistores, uno que usa electrones y otro que usa huecos electrónicos. Pero la movilidad de los huecos electrónicos en el silicio es muy baja, lo que supone una barrera para un mayor rendimiento; tanto es así que, durante varios años, los fabricantes han tenido que mejorarla incorporando germanio al silicio.
El segundo problema del silicio es que su rendimiento se degrada notablemente a altas temperaturas. Los circuitos integrados modernos, con miles de millones de transistores, generan un calor considerable, por lo que se invierte mucho esfuerzo en refrigerarlos; basta pensar en los ventiladores y disipadores que llevan los procesadores de un ordenador de sobremesa típico. Otros semiconductores alternativos, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), soportan mucho mejor las temperaturas elevadas, lo que significa que pueden funcionar a mayor velocidad y han empezado a sustituir al silicio en aplicaciones críticas de alta potencia , como los amplificadores.
Por último, el silicio transmite muy mal la luz. Aunque los láseres, los LED y otros dispositivos fotónicos son hoy habituales, utilizan compuestos semiconductores distintos del silicio. Como resultado, han surgido dos industrias diferenciadas: el silicio para la electrónica y los semiconductores compuestos para la fotónica. Esta situación se ha dado durante años, pero ahora existe un gran impulso para combinar la electrónica y la fotónica en un solo chip. Para los fabricantes, esto supone un problema considerable.
Nuevos materiales para el futuro
De los muchos materiales que se investigan como complemento del silicio para mejorar su rendimiento electrónico, quizá tres sean prometedores a corto plazo.
El primero se refiere a la baja movilidad de los huecos electrónicos del silicio. Ya se añade una pequeña cantidad de germanio para mejorarla, pero utilizar cantidades elevadas, o incluso pasar a transistores de germanio puro, sería aún mejor. El germanio fue el primer material empleado en dispositivos semiconductores, así que, en realidad, esto supone un movimiento de «volver al futuro». Pero reorientar la industria consolidada en torno al germanio supondría un problema considerable para los fabricantes.
El segundo se refiere a los óxidos metálicos. El dióxido de silicio se utilizó durante muchos años en el interior de los transistores, pero, con la miniaturización, la capa de dióxido de silicio se ha reducido tanto que ha empezado a perder sus propiedades aislantes, lo que provoca transistores poco fiables. Pese a que se ha pasado a utilizar, como aislante sustitutivo, un óxido de tierras raras, el dióxido de hafnio (HfO2), y la búsqueda sigue en marcha en busca de
alternativas con propiedades aislantes aún mejores.
Quizá lo más interesante sea el uso de los denominados semiconductores compuestos III-V, en particular los que contienen indio, como el arseniuro de indio y el antimoniuro de indio. Estos semiconductores tienen una movilidad electrónica hasta 50 veces superior a la del silicio. Combinados con transistores ricos en germanio, este enfoque podría suponer un gran aumento de velocidad.
Pero no todo es tan sencillo como parece. El silicio, el germanio, los óxidos y los materiales III-V son estructuras cristalinas que dependen de la integridad del cristal para sus propiedades. No podemos simplemente combinarlos con silicio y obtener lo mejor de ambos. Abordar este problema, el desajuste de la red cristalina, es el principal desafío tecnológico en curso.
Distintas variantes del silicio
Pese a sus limitaciones, la electrónica de silicio ha demostrado ser adaptable, capaz de conformarse en dispositivos fiables de consumo masivo y disponibles a un coste mínimo. Así, pese a los titulares sobre el «fin del silicio» o a las espectaculares (y, a veces, poco realistas) promesas de materiales alternativos, el silicio sigue siendo el rey y, respaldado por una industria mundial enorme y muy consolidada, no será destronado durante nuestra vida.
En cambio, el progreso en electrónica vendrá de mejorar el silicio mediante la integración de otros materiales. Empresas como IBM e Intel, así como laboratorios universitarios de todo el mundo, han invertido tiempo y esfuerzo en este desafío, y los resultados son prometedores: un enfoque híbrido que combina materiales III-V, silicio y germanio podría llegar al mercado en pocos años. Los semiconductores compuestos ya tienen usos importantes en láseres, en la iluminación LED, en pantallas y en paneles solares, ámbitos en los que el silicio simplemente no puede competir. Serán necesarios compuestos más avanzados a medida que los dispositivos electrónicos se vuelvan progresivamente más pequeños y de menor consumo, así como para la electrónica de alta potencia, donde sus características suponen una mejora significativa respecto a las capacidades del silicio.
El futuro de la electrónica es prometedor y seguirá basándose en gran medida en el silicio, pero ahora ese silicio se presenta en muchas variantes distintas.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Mark Hopkinson es catedrático de Materiales Semiconductores en la Universidad de Sheffield
Imagen: La tecla «End» de un teclado de ordenador aparece colocada sobre una placa de circuito integrado en esta ilustración fotográfica tomada en Varsovia, el 13 de diciembre de 2013. Foto tomada el 13 de diciembre. REUTERS/Kacper Pempel
