Nanotecnología

A día de hoy, los circuitos electrónicos con capaces de integrar cada vez más número de transistores y componentes, aumentando considerablemente sus prestaciones, pero haciendo también que aparezcan nuevos problemas. Según la ley de Moore, el número de transistores en un chip se duplica cada dos años. Pero el hecho de reducir cada vez más el tamaño mínimo característico hace que surjan nuevos fenómenos asociados a las pequeñas dimensiones de los dispositivos (del orden de nanómetros), y que por tanto la física que los describe sea totalmente distinta al caso clásico de la microelectrónica.

El avance de la microelectrónica durante finales del siglo XX se ha debido principalmente a los circuitos basados en tecnología CMOS, esto es, que utilizan tanto transistores PMOS como NMOS. Estos transistores se basan en la unión de un metal, un óxido, y un semiconductor, y tienen tres contactos diferentes, llamados puerta, fuente y drenador (para que pueda pasar corriente entre fuente y drenador hay que crear un canal de conducción entre ellos, lo que se consigue aplicando un cierto voltaje a la puerta, conocido como voltaje umbral). El gran desarrollo de la electrónica CMOS se debe a la utilización del SiO₂ como dieléctrico de puerta del transistor, pues presenta unas propiedades inmejorables en cuanto a carácter aislante y a baja densidad de defectos en ambas interfases, siendo compatible tanto con el sustrato de silicio como con el contacto de polisilicio.

A medida que se ha ido reduciendo el tamaño de los dispositivos, el espesor del dieléctrico de puerta también lo ha hecho, pasando de espesores de puerta de 1000 Å hace treinta años a sólo 12 Å, e incluso a 8 Å en laboratorio. Para espesores tan pequeños, de sólo cuatro capas atómicas, empiezan a ser importantes las fugas de corriente debidas al efecto túnel, que contribuyen a un aumento del calor generado y a la consecuente necesidad de disipación. Surge entonces la cuestión de cómo resolver el problema, ya que podrían plantearse varias alternativas: modificar el diseño, cambiar el material de puerta, el material de los contactos, o el material sustrato. O bien todo a la vez.

Los materiales candidatos a constituir nuevos dieléctricos de puerta son los llamados dieléctricos de alta permitividad o dieléctricos de alta-k, basados en óxidos de hafnio y de zirconio.  Son capaces de reducir la corriente túnel en más de cien veces en comparación con el óxido de silicio, pero presentan el inconveniente de que la interfase que forman con el polisilicio del contacto no es todo lo buena que se desearía, pues contiene una gran cantidad de defectos. Esto hace que los voltaje umbral que se obtiene sea demasiado grande (este fenómeno se llama congelación del voltaje umbral o anclaje del nivel de Fermi, ocasionando una corriente de arrastre muy  pequeña y un rendimiento muy bajo. Por tanto, para utilizar estos dieléctricos de alta-k es necesario también reemplazar los contactos del transistor por otros nuevos materiales metálicos, utilizando contactos de distintos materiales en función de si el transistor utilizado es NMOS o PMOS.

El otro problema que presenta estos dieléctricos es que, al tener un alto valor de la constante dieléctrica, también tienen unos fonones ópticos superficiales muy energéticos. Al ser los fonones vibraciones de la red cristalina, interfieren con los electrones de conducción del canal, afectando a su movilidad y disminuyendo el rendimiento del dispositivo. La influencia de los fonones en los electrones del canal puede minimizarse eligiendo los contactos metálicos adecuados, con una cierta función de trabajo, de forma que la solución en este caso también pasa por cambiar los actuales contactos utilizados en microelectrónica por otros nuevos.

En la actualidad, Intel® utiliza una tecnología de procesado de circuitos integrados basada en hafnio y dieléctricos de alta-k (figura).

Gracias a ella, la mitad de la distancia entre centro y centro de dos hilos conductores puede llegar a ser tan pequeña como 45 nanometros. Dado el grado de complejidad de la tecnología utilizada, cada vez una mayor parte del procesado de los chips se lleva a cabo mediante control por software, haciéndose únicamente necesaria la intervención del personal cuando hay que revisar o reparar alguna máquina.

Esta tecnología abre nuevos horizontes en la electrónica actual, y puede que, en algunos años, ya no se estudien en la universidad los transistores basados en tecnología CMOS, sino en tecnología de dieléctricos de alta-k.

     Los diseñadores de circuitos integrados buscan continuamente incrementar la potencia de computación, por tanto unos de sus objetivos pasa por la disminución de las dimensiones de los componentes de los chips hasta la escala nanométrica. Los nanotubos de carbono y los nanocables, que empezaron a estar disponibles en los años noventa, son candidatos prometedores para actuar como conexiones en esta escala porque ambos poseen interesantes propiedades. La impresionante conductividad de estos nanotubos de carbono les convierte en materiales muy interesantes para una amplia variedad de aplicaciones electrónicas, pero encontrar técnicas para fijar los nanotubos individuales a los contactos de metal ha demostrado ser un desafío. El nuevo método empleado por los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer permite precisamente esto, ofreciendo una solución práctica al problema del empleo de los nanotubos de carbono como dispositivos de interconexión y en los chips de ordenador. Habría que recordar que los nanotubos de carbono muestran una resistencia mecánica asombrosa y son excelentes conductores de la electricidad, con la capacidad de producir interconexiones muchas veces más rápidas que las actuales basadas en el cobre. Los nanocables de oro también tienen propiedades ópticas y eléctricas muy interesantes y son compatibles con las aplicaciones biológicas.  Con el fin de aprovecharse de lleno de estos materiales, los investigadores prueban la idea de combinarlos para obtener una nueva generación de nanomateriales híbridos. Esta estrategia es un buen método para unir las fuerzas de ambos materiales. Fung Suong Ou, ha descrito en un artículo recientemente publicado una nueva técnica como método de unión del actual puzzle nanoelectrónico, con el que se podrá conseguir la unión de los descubrimientos de numerosos científicos en este ámbito para dar lugar a una verdadera electrónica basada en nanotubos. Los nanocables de metal fabricados con esta nueva técnicas se obtienen a partir de una plantilla de alúmina que puede diseñarse para tener el tamaño de sus poros en el rango nanométrico. Los cables de cobre o de oro se depositan dentro de esos poros, y todo el conjunto se introduce en un horno donde está presente un compuesto rico en carbono. Cuando el horno se calienta a altas temperaturas, los átomos de carbono se depositan a lo largo de la pared de la plantilla y los nanotubos de carbono crecen directamente sobre los hilos metálicos. Leer más »