China multiplica por 1.000 la velocidad de producción de semiconductores 2D de próxima generación

Superar la barrera de velocidad en la electrónica de una sola capa atómica

Investigadores chinos anunciaron un avance en la fabricación que podría transformar el panorama mundial de los semiconductores: desarrollaron un método para producir materiales semiconductores bidimensionales a velocidades unas 1.000 veces superiores a las de las técnicas convencionales. La innovación, encabezada por científicos de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa y de la Academia China de Ciencias, aborda un obstáculo fundamental que durante mucho tiempo ha limitado la viabilidad comercial de los chips de próxima generación.

El equipo de investigación, dirigido por Zhu Mengjian junto con sus colegas Ren Wencai y Xu Chuan, del Instituto de Investigación de Metales, publicó sus hallazgos en la revista National Science Review el 26 de marzo. Su trabajo demuestra una técnica modificada de deposición química de vapor que produce láminas de nitruro de tungsteno y silicio a gran escala, a una velocidad de aproximadamente 20 micrómetros por minuto. Se trata de una aceleración drástica frente a los parámetros anteriores, que requerían cinco horas para producir apenas 0,001 milímetros.

Por qué el silicio se acerca a sus límites

Durante más de cinco décadas, la industria electrónica ha seguido la ley de Moore, según la cual el número de transistores en un microchip se duplica aproximadamente cada dos años mientras bajan los costos. Esta tendencia ha impulsado la evolución de todo tipo de dispositivos, desde los teléfonos inteligentes hasta las supercomputadoras, y ha creado una industria de un billón de dólares basada en el silicio. Sin embargo, a medida que las dimensiones de los transistores se acercan a la escala atómica, las leyes fundamentales de la física empiezan a intervenir.

Por debajo de unos 5 nanómetros, los electrones del silicio empiezan a mostrar comportamientos propios de la mecánica cuántica que socavan la computación clásica. El efecto túnel cuántico permite que los electrones atraviesen barreras aislantes que deberían bloquearlos, mientras que la disipación del calor se vuelve cada vez más difícil de controlar a medida que los componentes se agrupan. Estas limitaciones físicas amenazan con frenar el progreso que ha sustentado los avances tecnológicos modernos.

La demanda de capacidad de cálculo sigue creciendo con rapidez, impulsada en gran medida por los sistemas de inteligencia artificial y los grandes modelos de lenguaje, que requieren una capacidad de procesamiento cada vez mayor. Según las previsiones del sector, las necesidades de computación para inteligencia artificial podrían multiplicarse por 1.000 para 2030 respecto de los niveles de 2023. Esta brecha creciente entre la demanda y los límites físicos del silicio ha desencadenado una búsqueda mundial de materiales alternativos que permitan ampliar o reemplazar la fabricación tradicional de semiconductores.

El potencial de los materiales bidimensionales

Los semiconductores bidimensionales representan una de las vías más prometedoras para superar los límites del silicio convencional. Estos materiales, que a veces tienen el grosor de un solo átomo, conducen la electricidad de maneras fundamentalmente distintas a las de los cristales tridimensionales. A diferencia del silicio en bloque, cuyo canal de conducción debe tallarse en un bloque sólido, los semiconductores 2D son intrínsecamente delgados. Esto elimina la necesidad de retirar físicamente material para crear estructuras a escala nanométrica.

Los efectos de confinamiento cuántico en estas capas ultradelgadas pueden mejorar las propiedades eléctricas en lugar de degradarlas. Cuando el movimiento de los electrones se restringe a dos dimensiones, aumenta su energía mínima y se amplía de manera efectiva la banda prohibida que determina si un transistor está encendido o apagado. Esto significa que, a escalas equivalentes, los materiales 2D podrían lograr una mayor eficiencia energética y menos corriente de fuga que el silicio, lo que los convierte en candidatos ideales para tecnologías con nodos inferiores a 5 nanómetros.

Varios materiales 2D ya han demostrado características de rendimiento notables. El disulfuro de molibdeno y el diseleniuro de molibdeno, compuestos clasificados como dicalcogenuros de metales de transición, tienen bandas prohibidas naturales que les permiten alternar entre estados conductores y aislantes. Estos materiales de tipo n, que transportan corriente eléctrica mediante electrones, han sido relativamente fáciles de producir en entornos de laboratorio. Sin embargo, la creación de circuitos integrados prácticos requiere pares complementarios de materiales.

La crisis de los materiales de tipo p

Las arquitecturas modernas de transistores dependen de la combinación de dos tipos distintos de semiconductores: los de tipo n, que usan electrones como portadores de carga, y los de tipo p, que recurren a los huecos —la ausencia de electrones en la red cristalina— para conducir carga positiva. Esta arquitectura de semiconductor complementario de metal-óxido, conocida como CMOS, es la base de toda la lógica digital actual. Todas las puertas NAND, NOR y NOT requieren que ambos tipos funcionen de forma coordinada.

Si bien los semiconductores 2D de tipo n están ampliamente disponibles, sus equivalentes de tipo p, estables y de alto rendimiento, han sido difíciles de obtener. Zhu Mengjian describió esta escasez como un obstáculo fundamental y una frontera de intensa competencia en la investigación sobre semiconductores. Sin materiales de tipo p fiables, los ingenieros no pueden construir las puertas lógicas básicas que sustentan la computación, por excelentes que sean los materiales de tipo n.

El equipo chino identificó el nitruro de tungsteno y silicio como una solución a este desequilibrio. Este material presenta de manera natural un comportamiento de tipo p, sin necesidad de procesos de dopaje externo que suelen introducir inestabilidad. Las películas mostraron una alta movilidad de huecos y una elevada densidad de corriente, además de una gran resistencia mecánica y conductividad térmica. Estas propiedades indican que el material puede soportar los procesos litográficos de varias etapas necesarios para fabricar chips comerciales sin agrietarse ni desprenderse de los sustratos.

El profesor Peng Hailin, de la Universidad de Pekín, que trabaja en un proyecto independiente pero relacionado sobre transistores 2D con oxyseleniuro de bismuto, explicó la importancia fundamental de este equilibrio de dopaje. En esa investigación, también orientada a arquitecturas posteriores al silicio, su equipo logró velocidades un 40 % superiores a las de los chips de 3 nanómetros más recientes de Intel, con un consumo de energía un 10 % menor. El grupo de la Universidad de Pekín describió su avance como un cambio de rumbo, no como un atajo, señal de una transformación fundamental que se aleja de los diseños basados en silicio.

La innovación con oro y tungsteno

La innovación clave que hizo posible este aumento de la velocidad de producción consistió en rediseñar el proceso de deposición química de vapor utilizado para producir películas semiconductoras 2D. Las técnicas tradicionales de deposición química de vapor hacen circular gases precursores sobre sustratos calientes y esperan a que los átomos cristalicen capa por capa. Históricamente, este proceso ha sido muy lento, lo que hacía inviable desde el punto de vista económico pasar de muestras de laboratorio de milímetros a las obleas de 300 milímetros usadas en la fabricación comercial.

El equipo de investigación reemplazó el sustrato sólido convencional por una bicapa de oro líquido y tungsteno. La superficie de oro líquido elimina los límites de grano y ofrece una plantilla uniformemente lisa para la nucleación de cristales. Esto permite que los átomos precursores se difundan por la superficie mucho más rápido que sobre los sustratos sólidos convencionales. Al mismo tiempo, la capa inferior de tungsteno aporta uno de los componentes elementales necesarios para la película de nitruro de tungsteno y silicio, lo que reduce la dependencia de los mecanismos de suministro en fase gaseosa, que a menudo limitan las velocidades de crecimiento.

Esta modificación del sustrato permitió producir películas monocapa de aproximadamente 36 por 18 milímetros, lo que acerca los semiconductores 2D a la fabricación a escala de oblea. El material resultante mostró un sólido rendimiento eléctrico, durabilidad y capacidad para gestionar el calor, características esenciales para aplicaciones avanzadas en chips. La velocidad de producción pasó de aproximadamente 0,00004 pulgadas en cinco horas a cerca de 0,0008 pulgadas por minuto, una aceleración de mil veces que ha captado la atención del sector.

El método también ofrece un control preciso de las propiedades de dopaje, lo que permite a los ingenieros ajustar las características eléctricas de las películas resultantes. Esta capacidad de ajuste es crucial para integrar los materiales 2D en las arquitecturas CMOS existentes, un paso aún necesario para su adopción comercial. La compatibilidad con la infraestructura actual de semiconductores podría facilitar la integración en el futuro, aunque siguen existiendo importantes desafíos de ingeniería para pasar del tamaño demostrado hasta ahora a obleas de producción completas.

La competencia mundial y sus implicaciones estratégicas

El avance en semiconductores se produce en medio de una competencia tecnológica cada vez más intensa entre las principales potencias económicas. Según datos de la Colección de Contenidos de la Academia China de Ciencias, las instituciones chinas han aumentado rápidamente sus publicaciones en revistas científicas y sus patentes relacionadas con la microelectrónica, y el país ha presentado numerosas solicitudes de propiedad intelectual orientadas a aplicaciones comerciales. Mientras tanto, Estados Unidos ha puesto en marcha medidas ambiciosas para mantener su liderazgo mediante la Ley CHIPS y Ciencia, que destinó 52.700 millones de dólares a reforzar la fabricación nacional y las capacidades de investigación.

Las tensiones geopolíticas han complicado las cadenas de suministro mundiales. Los controles a la exportación establecidos en octubre de 2022 restringen el acceso de China a equipos avanzados para fabricar semiconductores y a chips de computación. Estas restricciones buscan limitar el progreso chino en inteligencia artificial y tecnologías de defensa, pero también han impulsado iniciativas de investigación nacional destinadas a lograr la independencia tecnológica. Los avances en semiconductores 2D representan precisamente el tipo de investigación fundamental que podría permitir a China eludir los obstáculos asociados a los equipos convencionales mediante el desarrollo de plataformas de materiales alternativas.

Se prevé que el mercado mundial de equipos para semiconductores, valorado en unos 111.840 millones de dólares en 2025, alcance los 268.060 millones en 2034, según análisis del mercado. Este crecimiento se debe a la transición hacia nodos avanzados inferiores a 5 nanómetros, para los que resultan esenciales la litografía ultravioleta extrema y los materiales innovadores. La región de Asia-Pacífico concentra actualmente casi el 69 % del mercado, aunque Europa y América del Norte están invirtiendo fuertemente para diversificar la producción y reducir la dependencia de cadenas de suministro concentradas.

Expertos del sector señalan que pasar de las demostraciones de laboratorio a la producción comercial exige varios años de trabajo y la colaboración de especialistas en ciencia de materiales, ingeniería de procesos y física de dispositivos. La densidad de defectos debe reducirse hasta un nivel que permita que miles de millones de transistores funcionen de manera fiable en un solo chip, y los nuevos materiales deben demostrar que son compatibles con los procesos existentes de litografía, grabado y metalización. El método de sustrato de metal líquido desarrollado por el equipo chino podría influir en los principios de ingeniería de todo el sector, independientemente del material concreto que llegue a la producción en masa.

Los desafíos para llegar a la comercialización

A pesar de los prometedores resultados de laboratorio, aún quedan varios obstáculos considerables entre los logros actuales y los productos de consumo que incorporen transistores 2D. Mantener la uniformidad en obleas de mayor superficie se vuelve exponencialmente más difícil a medida que aumenta la producción. Pasar de películas de 36 por 18 milímetros a obleas de producción de 300 milímetros implica mucho más que ampliar la cámara de deposición química de vapor: requiere mantener una precisión atómica en superficies mucho mayores.

La gestión del calor plantea otra dificultad importante. Aunque el nitruro de tungsteno y silicio tiene propiedades térmicas favorables frente a algunas alternativas, los materiales ultradelgados tienen por naturaleza una sección transversal limitada para el flujo de calor. A medida que aumenta la densidad de los transistores, eliminar el calor residual se vuelve fundamental para mantener el rendimiento y evitar daños térmicos en estructuras delicadas. Los materiales 2D también deben tener suficiente resistencia mecánica para soportar las tensiones físicas de los procesos de fabricación, que incluyen etapas de grabado, deposición y limpieza capaces de dañar capas de grosor atómico.

La escasez de personal cualificado agrava estos desafíos técnicos. La Asociación de la Industria de Semiconductores prevé que solo Estados Unidos tendrá un déficit de unos 67.000 técnicos, ingenieros y científicos cualificados para 2030. Otros centros de fabricación de todo el mundo enfrentan carencias similares, que podrían ralentizar la aplicación de nuevas tecnologías incluso después de que se demuestre su viabilidad en entornos de investigación.

Las preocupaciones ambientales también pesan mucho sobre los planes de expansión. Una sola fábrica moderna que produce obleas de 12 pulgadas consume unos 10 millones de galones de agua al día. La grave sequía que afectó a Taiwán en 2021 puso de relieve la vulnerabilidad de la fabricación de semiconductores ante las limitaciones de recursos. Los fabricantes adoptan cada vez más tecnologías de reciclaje y prácticas sostenibles, pero el elevado consumo de energía y agua en la producción de chips sigue siendo un factor importante al considerar la construcción de nuevas instalaciones para incorporar materiales innovadores.

En síntesis

• Investigadores chinos desarrollaron una técnica de deposición química de vapor que produce materiales semiconductores 2D a una velocidad 1.000 veces superior a la de métodos anteriores, de aproximadamente 20 micrómetros por minuto.
• El avance utiliza un sustrato de dos capas de oro líquido y tungsteno para producir láminas de nitruro de tungsteno y silicio a escala de oblea, y aborda la escasez de materiales 2D de tipo p de alto rendimiento necesarios para formar pares de transistores CMOS.
• La innovación llega cuando el silicio se acerca a sus límites físicos fundamentales por debajo de los 5 nanómetros, donde el efecto túnel cuántico y la disipación del calor amenazan con frenar décadas de mejoras constantes del rendimiento asociadas a la ley de Moore.
• Los semiconductores bidimensionales, de apenas unos átomos de grosor, ofrecen posibles vías para seguir reduciendo el tamaño de los transistores con mayor eficiencia energética que el silicio tridimensional convencional.
• El avance se produce en un contexto de intensa competencia mundial por el liderazgo en semiconductores: China aumenta su producción de investigaciones, mientras Estados Unidos y Europa invierten miles de millones mediante leyes CHIPS para asegurar sus cadenas de suministro nacionales.
• El paso de las demostraciones de laboratorio a la producción comercial exigirá resolver problemas relacionados con la densidad de defectos, la gestión del calor, la uniformidad de fabricación y la integración con la infraestructura de producción existente.
• Se prevé que el mercado de equipos para la fabricación de semiconductores crezca de 111.840 millones de dólares en 2025 a 268.000 millones en 2034, impulsado por la demanda de computación para inteligencia artificial, nodos avanzados y materiales innovadores, incluidos los semiconductores 2D.