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.

Intel ha anunciado que comienza la producción de los nuevos microprocesadores basados en tecnología de 45nm. Los nuevos microprocesadores suponen un avance considerable respecto de sus predecesores ( Intel Core 2 Duo e Intel Extreme ), no sólo en lo que a la tecnología de fabricación respecta sino que además presentan velocidades de núcleo de 3.3 GHz de frecuencia y memoria cache L2 que alcanza la friolera de 12MB. El nuevo procesador ha sido presentado en el "Foro Intel Beijin 2007". Los expertos pronostican que la aparición de este nuevo procesador supondrá una nueva batalla entre los gigantes del sector. Pero acompañando a esta noticia, Intel ha dejado caer que ya cuenta con los primeros prototipos de tecnología de 32nm para los próximos años. ¿Veremos el final? Según un experto en la materia como es Paolo A Gargini, la famosa Ley de Moore, de la cual ya hemos tenido la oportunidad de hablar en este foro, se cumplirá durante 10-15 años más.

Una de las áreas más punteras en la investigación y que probablemente revolucione más nuestra vida actual tal y como la conocemos hoy por hoy dentro del área de la nanotecnología es la Computación Cuántica, esta disciplina va a aprovechar las propiedades del mundo cuántico para aumentar la eficacia y la eficiencia de los ordenadores (en cuanto a computación se refiere), hoy por hoy los protocolos de seguridad de la información digital se aprovechan de la facilidad que tienen las computadoras actuales para realizar multiplicaciones y dificultad para realizar factorizaciones , por eso en cuanto se consiguiera realizar el computador cuántico todos los sistemas de seguridad informática actuales quedarían obsoletos, pero esto no significa el fin de la seguridad en la informática, gracias a las propiedades cuánticas de estos nuevos computadores serían completamente seguros, la Computación Cuántica consiste en la transmisión de estados cuánticos y el entrelazamiento cuántico, ambos fenómenos cuánticos permiten que la comunicación cuántica sea posible (en teoría se puede), en la jornada de nanotecnología del día 26 de Abril, el Premio Príncipe de Asturias del 2006, el Doctor Juan Ignacio Cirac nos comunicó que en la actualidad se han conseguido hacer sistemas cuánticos simples con los que se han realizado operaciones matemáticas simples y con los que se ha conseguido transmisión de información a distancias considerables; lo cuál da una alentadora esperanza de que estos dispositivos se lleguen a fabricar algún día.
La Computación Cuántica no solo mejorará la seguridad de la información, sino que el tamaño de los ordenadores será muchísimo menor al del actual, se podrían resolver una cantidad mayor de problemas nuevos gracias a una mayor capacidad de computación. Aunque todo esto queda un poco lejos dadas las dificultades técnicas, se ha conseguido hacer trampas de iones de unos cuantos átomos en los que se han almacenado unos cuantos qubits (un qubit es la extensión cuántica de un bit, es decir en una computadora tradicional, el código es binario, 0 ó 1, pero dado el carácter cuántico de los átomos, además de los estados 0 y 1 de un átomo existirían estados mezcla, es decir una superposición de los estados 0 y 1), se está trabajando en el campo de los semiconductores para conseguir meter más iones en las trampas cuánticas. Leer más »

En el año 1965 el número de elementos transistores en un microprocesador rondaba los 2000. Bajo estas limitaciones en la capacidad de cálculo de los ordenadores, el cofundador de la compañía Intel, Gordon Moore (líder mundial junto con AMD en el desarrollo de microprocesadores), hizo una predicción de futuro conocida como “ley de Moore”. Dicha ley establece que:

“El número de elementos transistores por microprocesador se duplicará cada dos años”

Esta ley aunque muy simple y poco realista en sus orígenes se ha cumplido año tras año, pero, ¿hasta cuando la ley de Moore?.