Los científicos de IBM han demostrado un nuevo enfoque de la nanotecnología del carbono que allana el camino para la fabricación comercial de chips informáticos mucho más pequeños, rápidos y potentes. Es la primera vez que más de 10.000 transistores activos hechos de tubos de carbono de tamaño nanométrico se colocan y prueban con precisión dentro de un solo chip utilizando procesos de semiconductores estándar. Estos dispositivos de carbono están reemplazando y superando a la tecnología de silicio, permitiendo componentes informáticos aún más pequeños y allanando el camino para el futuro de la microelectrónica.
Los científicos de IBM han demostrado un nuevo enfoque de la nanotecnología del carbono que allana el camino para la fabricación comercial de chips informáticos mucho más pequeños, rápidos y potentes. Es la primera vez que más de 10.000 transistores activos hechos de tubos de carbono de tamaño nanométrico se colocan y prueban con precisión dentro de un solo chip utilizando procesos de semiconductores estándar. Estos dispositivos de carbono están reemplazando y superando a la tecnología de silicio, permitiendo componentes informáticos aún más pequeños y allanando el camino para el futuro de la microelectrónica.
A lo largo de cuatro décadas de rápida innovación, la tecnología de microprocesadores de silicio ha seguido reduciéndose en tamaño y aumentando en rendimiento, impulsando así la revolución de la tecnología de la información. Los transistores de silicio, pequeños interruptores que transmiten información en un chip, son cada vez más pequeños cada año, pero se acercan a sus límites físicos. Las dimensiones del silicio son cada vez más pequeñas, alcanzando ahora la nanoescala, y la naturaleza del silicio y las leyes de la física hacen que las mejoras en el rendimiento sean imposibles. Dentro de unas pocas generaciones más, el escalado y la reducción tradicionales ya no proporcionarán los beneficios significativos de los procesadores rápidos, de bajo costo y de bajo consumo a los que la industria se ha acostumbrado.
Los nanotubos de carbono son una nueva clase de materiales semiconductores cuyas propiedades eléctricas son más atractivas que las del silicio, especialmente para construir dispositivos de transistores a nanoescala con diámetros de decenas de átomos. Los electrones en los transistores de carbono pueden moverse más fácilmente que en los dispositivos basados en silicio, lo que permite una rápida transferencia de datos. Los nanotubos también tienen la forma ideal para los transistores a escala atómica, incluso mejor que el silicio. Estas propiedades son una de las razones para reemplazar los transistores de silicio tradicionales con carbono y, combinadas con nuevas arquitecturas de diseño de chips, permitirán innovaciones informáticas a pequeña escala para el futuro.
Un enfoque desarrollado en la investigación de IBM allana el camino para la fabricación de circuitos con un gran número de transistores de nanotubos de carbono en una ubicación de sustrato determinada. La capacidad de separar nanotubos semiconductores y colocar dispositivos de carbono de alta densidad en obleas es fundamental para evaluar la idoneidad de la tecnología. La integración en futuros chips comerciales eventualmente requerirá más de mil millones de transistores. Hasta ahora, los científicos solo han podido colocar cientos de dispositivos de nanotubos de carbono a la vez, lo que es insuficiente para abordar aplicaciones comerciales críticas.
“Nacidos de la química, los nanotubos de carbono han sido en gran medida una curiosidad de laboratorio en lo que respecta a las aplicaciones de la microelectrónica. Estamos dando el primer paso”, dijo Supratik Guha, director de ciencias físicas de IBM Research. “La motivación para trabajar con transistores de nanotubos de carbono es lograr un rendimiento superior sobre los transistores hechos de otros materiales en dimensiones de nanoescala extremadamente pequeñas. Hay desafíos que abordar, como la ubicación estratégica, y hemos logrado un gran progreso en ambos frentes”.
Los nanotubos de carbono se estudiaron originalmente por la física resultante de su tamaño y forma atómicos, pero científicos de todo el mundo los han encontrado en aplicaciones que van desde circuitos integrados, almacenamiento y conversión de energía, detección biomédica y secuenciación de ADN.
Este resultado se publicó hoy en la revista revisada por pares Nature Nanotechnology.
camino al carbono
El carbono es un bloque de construcción fácilmente disponible para hacer cristales que son tan duros como los diamantes y tan suaves como las “minas” de un lápiz, y tienen una amplia gama de aplicaciones de TI.
Un nanotubo de carbono es una lámina de carbono de un solo átomo enrollada en un tubo. Los nanotubos de carbono forman el núcleo de los dispositivos de transistores que se comportan de manera similar a los transistores de silicio actuales, pero con un mejor rendimiento. Potencialmente, podrían usarse para reemplazar los transistores en los chips que alimentan los servidores de procesamiento de datos, las computadoras de alto rendimiento y los teléfonos inteligentes ultrarrápidos.
A principios de este año, los investigadores de IBM demostraron que los transistores de nanotubos de carbono pueden actuar como excelentes interruptores con dimensiones moleculares de menos de 10 nanómetros. Eso es 1/10,000 del tamaño de un cabello humano y menos de la mitad del tamaño de la tecnología de silicio líder. El modelado integral de circuitos electrónicos sugiere que son posibles mejoras de rendimiento de aproximadamente 5 a 10 veces en comparación con los circuitos de silicio.
Existen desafíos prácticos para que los nanotubos de carbono se conviertan en una tecnología comercial, especialmente debido a la pureza y geometría del dispositivo, como se mencionó anteriormente. Los nanotubos de carbono existen naturalmente como una mezcla de especies metálicas y semiconductoras y deben estar perfectamente dispuestos en la superficie de la oblea para crear circuitos electrónicos. Solo los tubos de tipo semiconductor son útiles para el funcionamiento del dispositivo, que esencialmente requiere la eliminación completa del tubo metálico para evitar errores en el circuito. Además, para lograr una integración a gran escala, es importante poder controlar la ubicación y la posición de los dispositivos de nanotubos de carbono en el sustrato.
Para superar estas barreras, los investigadores de IBM desarrollaron un nuevo método basado en la química de intercambio iónico. Esto permitió la colocación precisa y controlada de nanotubos de carbono alineados en sustratos de alta densidad, dos órdenes de magnitud más grandes que los experimentos anteriores, lo que permitió la colocación controlada de nanotubos de carbono individuales. Nanotubos con una densidad de alrededor de mil millones por centímetro cuadrado.
El proceso comienza mezclando nanotubos de carbono con un tensioactivo. Los surfactantes son un tipo de jabón que permite que los nanotubos de carbono se disuelvan en agua. El sustrato consta de dos óxidos con trincheras de óxido de hafnio modificado químicamente (HfO2) y el resto de óxido de silicio (SiO2). El sustrato se sumerge en una solución de nanotubos de carbono y los nanotubos se adhieren a las regiones de HfO2 a través de enlaces químicos mientras el resto de la superficie permanece limpia.
Combinando experiencia en química, procesamiento e ingeniería, los investigadores de IBM pudieron producir más de 10,000 transistores en un solo chip.
Además, la compatibilidad con los procesos comerciales estándar permite realizar pruebas rápidas de miles de dispositivos utilizando herramientas de caracterización de gran volumen.
Esta nueva técnica de colocación se puede implementar fácilmente utilizando productos químicos comunes y la fabricación de semiconductores existente, lo que permite a la industria trabajar con nanotubos de carbono a una escala mucho mayor, revolucionando aún más la electrónica de carbono.
Aprender más acerca de. http://www.research.ibm.com.