Nanoelectrónica

La nanoelectrónica se refiere al uso de la nanotecnología en componentes electrónicos. El término cubre un conjunto diverso de dispositivos y materiales, con la característica común de que son tan pequeños que las interacciones interatómicas y las propiedades mecánicas cuánticas deben estudiarse ampliamente. Algunos de estos candidatos incluyen: electrónica híbrida molecular/semiconductora, nanotubos/nanocables unidimensionales (p. ej., nanocables de silicio o nanotubos de carbono) o electrónica molecular avanzada.

Los dispositivos nanoelectrónicos tienen dimensiones críticas con un rango de tamaño entre 1 nm y 100 nm. Las generaciones recientes de tecnología MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor o transistor MOS) de silicio ya se encuentran dentro de este régimen, incluidos los nodos CMOS (MOS complementarios) de 22 nanómetros y los sucesivos FinFET (campo de aletas) de 14 nm, 10 nm y 7 nm. transistor de efecto) generaciones. La nanoelectrónica a veces se considera una tecnología disruptiva porque los candidatos actuales son significativamente diferentes de los transistores tradicionales.

Conceptos fundamentales

En 1965, Gordon Moore observó que los transistores de silicio estaban experimentando un proceso continuo de reducción de escala, una observación que luego se codificó como la ley de Moore. Desde su observación, los tamaños mínimos de características de los transistores han disminuido de 10 micrómetros al rango de 10 nm a partir de 2019. Tenga en cuenta que el nodo de tecnología no representa directamente el tamaño mínimo de características. El campo de la nanoelectrónica tiene como objetivo permitir la realización continua de esta ley mediante el uso de nuevos métodos y materiales para construir dispositivos electrónicos con tamaños de características en la nanoescala.

Problemas mecánicos

El volumen de un objeto disminuye como la tercera potencia de sus dimensiones lineales, pero el área de la superficie solo disminuye como su segunda potencia. Este principio algo sutil e inevitable tiene enormes ramificaciones. Por ejemplo, la potencia de un taladro (o de cualquier otra máquina) es proporcional al volumen, mientras que la fricción de los cojinetes y engranajes del taladro es proporcional a su superficie. Para un taladro de tamaño normal, la potencia del dispositivo es suficiente para superar fácilmente cualquier fricción. Sin embargo, reducir su longitud en un factor de 1000, por ejemplo, disminuye su potencia en 1000 (un factor de mil millones) mientras reduce la fricción en solo 1000.(un factor de sólo un millón). Proporcionalmente tiene 1000 veces menos potencia por unidad de fricción que el taladro original. Si la relación original de fricción a potencia era, digamos, 1%, eso implica que el taladro más pequeño tendrá 10 veces más fricción que potencia; el taladro es inútil.

Por esta razón, aunque los circuitos integrados electrónicos superminiatura son completamente funcionales, la misma tecnología no se puede utilizar para fabricar dispositivos mecánicos que funcionen más allá de las escalas donde las fuerzas de fricción comienzan a exceder la potencia disponible. Entonces, aunque puede ver microfotografías de engranajes de silicio delicadamente grabados, estos dispositivos actualmente son poco más que curiosidades con aplicaciones limitadas en el mundo real, por ejemplo, en espejos móviles y persianas. La tensión superficial aumenta de la misma manera, lo que magnifica la tendencia de los objetos muy pequeños a pegarse entre sí. Esto podría hacer que cualquier tipo de "microfábrica" ​​sea poco práctica: incluso si los brazos y las manos robóticas pudieran reducirse, cualquier cosa que recojan tenderá a ser imposible de dejar. Dicho lo anterior, la evolución molecular ha dado como resultado cilios, flagelos, fibras musculares y motores rotatorios en ambientes acuosos, todo en la nanoescala. Estas máquinas explotan las mayores fuerzas de fricción que se encuentran en la micro o nanoescala. A diferencia de una paleta o una hélice que depende de las fuerzas de fricción normales (las fuerzas de fricción perpendiculares a la superficie) para lograr la propulsión, los cilios desarrollan movimiento a partir de las fuerzas laminares o de arrastre exageradas (fuerzas de fricción paralelas a la superficie) presentes en las dimensiones micro y nano. Para construir "máquinas" significativas a nanoescala, se deben considerar las fuerzas relevantes. Nos enfrentamos al desarrollo y diseño de máquinas intrínsecamente pertinentes más que a simples reproducciones de máquinas macroscópicas.

Por lo tanto, todos los problemas de escala deben evaluarse minuciosamente al evaluar la nanotecnología para aplicaciones prácticas.

Enfoques

Nanofabricación

Por ejemplo, los transistores de electrones, que implican un funcionamiento de transistor basado en un solo electrón. Los sistemas nanoelectromecánicos también entran en esta categoría. La nanofabricación se puede utilizar para construir matrices paralelas ultradensas de nanocables, como alternativa a la síntesis de nanocables individualmente. De particular importancia en este campo, los nanocables de silicio se están estudiando cada vez más para diversas aplicaciones en nanoelectrónica, conversión y almacenamiento de energía. Dichos SiNW pueden fabricarse mediante oxidación térmica en grandes cantidades para producir nanocables con un grosor controlable.

Electrónica de nanomateriales

Además de ser pequeños y permitir que se empaqueten más transistores en un solo chip, la estructura uniforme y simétrica de los nanocables y/o nanotubos permite una mayor movilidad de electrones (movimiento de electrones más rápido en el material), una constante dieléctrica más alta (frecuencia más rápida) y una característica simétrica electrón/hueco.

Además, las nanopartículas se pueden utilizar como puntos cuánticos.

Electrónica molecular

Los dispositivos de una sola molécula son otra posibilidad. Estos esquemas harían un uso intensivo del autoensamblaje molecular, diseñando los componentes del dispositivo para construir una estructura más grande o incluso un sistema completo por sí mismos. Esto puede ser muy útil para la computación reconfigurable e incluso puede reemplazar por completo la tecnología FPGA actual.

La electrónica molecular es una nueva tecnología que todavía está en pañales, pero que también trae esperanzas para sistemas electrónicos verdaderamente a escala atómica en el futuro. Una de las aplicaciones más prometedoras de la electrónica molecular fue propuesta por el investigador de IBM Ari Aviram y el químico teórico Mark Ratner en sus artículos de 1974 y 1988 Molecules for Memory, Logic and Amplification (ver Rectificador unimolecular).

Esta es una de las muchas formas posibles en las que la química orgánica podría sintetizar un diodo/transistor de nivel molecular. Se propuso un sistema modelo con una estructura de espirocarbono que proporciona un diodo molecular de aproximadamente medio nanómetro de ancho que podría conectarse mediante cables moleculares de politiofeno. Los cálculos teóricos mostraron que el diseño era sólido en principio y todavía hay esperanza de que dicho sistema pueda funcionar.

Otros enfoques

Nanoionics estudia el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a nanoescala.

La nanofotónica estudia el comportamiento de la luz a nanoescala y tiene como objetivo desarrollar dispositivos que aprovechen este comportamiento.

Historia

Los transistores basados ​​en nanocapas metálicas fueron propuestos y demostrados por A. Rose en 1960, y por Atalla, Kahng y Geppert en 1962. En su trabajo pionero de 1962, Geppert, Atalla y Kahng fabricaron un transistor de unión semiconductor-metal basado en nanocapas que utilizaba películas delgadas de oro (Au) con un espesor de 10 nm. En 1987, un equipo de investigación de IBM dirigido por Bijan Davari demostró un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET) con un espesor de óxido de puerta de 10 nm, utilizando tecnología de puerta de tungsteno.

Los MOSFET multipuerta permitieron escalar por debajo de 20 nm de longitud de puerta, comenzando con el FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un MOSFET tridimensional, no plano y de doble puerta. El FinFET tiene su origen en el transistor DELTA desarrollado por Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto y Eiji Takeda del Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. En 1997, DARPA otorgó un contrato a un grupo de investigación de la UC Berkeley para desarrollar un transistor DELTA submicrónico profundo.. El grupo estaba formado por Hisamoto junto con Chenming Hu de TSMC y otros investigadores internacionales, incluidos Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor, Hideki Takeuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shably Ahmed y Cyrus Tabery. El equipo fabricó con éxito dispositivos FinFET hasta 17 nm en 1998, y luego 15 nm en 2001. En 2002, un equipo que incluía a Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor y Tabery fabricó un dispositivo FinFET de 10 nm.

En 1999, un transistor CMOS (MOS complementario) desarrollado en el Laboratorio de Electrónica y Tecnología de la Información en Grenoble, Francia, probó los límites de los principios del transistor MOSFET con un diámetro de 18 nm (aproximadamente 70 átomos colocados uno al lado del otro). Permitió la integración teórica de siete mil millones de uniones en una moneda de 1 €. Sin embargo, el transistor CMOS no fue un simple experimento de investigación para estudiar cómo funciona la tecnología CMOS, sino más bien una demostración de cómo funciona esta tecnología ahora que nosotros mismos nos estamos acercando cada vez más a trabajar a escala molecular. Según Jean-Baptiste Waldner en 2007, sería imposible dominar el montaje coordinado de un gran número de estos transistores en un circuito y también sería imposible crearlo a nivel industrial.

En 2006, un equipo de investigadores coreanos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y el Centro Nacional Nano Fab desarrollaron un MOSFET de 3 nm, el dispositivo nanoelectrónico más pequeño del mundo. Se basó en la tecnología FinFET gate-all-around (GAA).

La producción comercial de dispositivos semiconductores nanoelectrónicos comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción en masa comercial de un proceso de 16 nm, TSMC comenzó la producción de un proceso FinFET de 16 nm y Samsung Electronics comenzó la producción de un proceso de clase de 10 nm. TSMC comenzó la producción de un proceso de 7 nm en 2017 y Samsung comenzó la producción de un proceso de 5 nm en 2018. En 2017, TSMC anunció planes para la producción comercial de un proceso de 3 nm para 2022. En 2019, Samsung anunció planes para un 3 nm proceso GAAFET (gate-all-around FET) para 2021.

Dispositivos nanoelectrónicos

Los actuales procesos de producción de alta tecnología se basan en estrategias tradicionales de arriba hacia abajo, donde la nanotecnología ya se ha introducido en silencio. La escala de longitud crítica de los circuitos integrados ya está en la nanoescala (50 nm y menos) con respecto a la longitud de puerta de los transistores en CPU o dispositivos DRAM.

Ordenadores

La nanoelectrónica mantiene la promesa de hacer que los procesadores de computadoras sean más poderosos de lo que es posible con las técnicas convencionales de fabricación de semiconductores. Actualmente se están investigando varios enfoques, incluidas nuevas formas de nanolitografía, así como el uso de nanomateriales como nanocables o moléculas pequeñas en lugar de los componentes CMOS tradicionales. Los transistores de efecto de campo se han fabricado utilizando nanotubos de carbono semiconductores y nanocables semiconductores heteroestructurados (SiNW).

Almacenamiento de memoria

En el pasado, los diseños de memorias electrónicas dependían en gran medida de la formación de transistores. Sin embargo, la investigación sobre la electrónica basada en interruptores de barras transversales ha ofrecido una alternativa utilizando interconexiones reconfigurables entre matrices de cableado verticales y horizontales para crear memorias de ultra alta densidad. Dos líderes en esta área son Nantero, que ha desarrollado una memoria de barra cruzada basada en nanotubos de carbono llamada Nano-RAM y Hewlett-Packard, que ha propuesto el uso de material memristor como reemplazo futuro de la memoria Flash.

Un ejemplo de tales dispositivos novedosos se basa en la espintrónica. La dependencia de la resistencia de un material (debido al espín de los electrones) de un campo externo se denomina magnetorresistencia. Este efecto puede amplificarse significativamente (GMR - Magnetorresistencia Gigante) para objetos de tamaño nanométrico, por ejemplo, cuando dos capas ferromagnéticas están separadas por una capa no magnética, que tiene varios nanómetros de espesor (por ejemplo, Co-Cu-Co). El efecto GMR ha llevado a un fuerte aumento en la densidad de almacenamiento de datos de los discos duros y ha hecho posible el rango de gigabytes. La llamada magnetorresistencia de tunelización (TMR) es muy similar a la GMR y se basa en la tunelización de electrones dependiente del espín a través de capas ferromagnéticas adyacentes. Tanto los efectos GMR como TMR se pueden usar para crear una memoria principal no volátil para computadoras, como la llamada memoria magnética de acceso aleatorio o MRAM.

La producción comercial de memoria nanoelectrónica comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción en masa de memoria flash NAND de 16 nm y Samsung Electronics comenzó la producción de memoria flash NAND de celda multinivel (MLC) de 10 nm. En 2017, TSMC comenzó la producción de memoria SRAM mediante un proceso de 7 nm.

Nuevos dispositivos optoelectrónicos

En la tecnología de comunicación moderna, los dispositivos eléctricos analógicos tradicionales se reemplazan cada vez más por dispositivos ópticos u optoelectrónicos debido a su enorme ancho de banda y capacidad, respectivamente. Dos ejemplos prometedores son los cristales fotónicos y los puntos cuánticos.Los cristales fotónicos son materiales con una variación periódica en el índice de refracción con una constante de red que es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Ofrecen una banda prohibida seleccionable para la propagación de una determinada longitud de onda, por lo que se asemejan a un semiconductor, pero para luz o fotones en lugar de electrones. Los puntos cuánticos son objetos a nanoescala que se pueden utilizar, entre muchas otras cosas, para la construcción de láseres. La ventaja de un láser de punto cuántico sobre el láser semiconductor tradicional es que su longitud de onda emitida depende del diámetro del punto. Los láseres de puntos cuánticos son más baratos y ofrecen una mayor calidad de haz que los diodos láser convencionales.

Pantallas

La producción de pantallas con bajo consumo de energía podría lograrse utilizando nanotubos de carbono (CNT) y/o nanocables de silicio. Estas nanoestructuras son eléctricamente conductoras y, debido a su pequeño diámetro de varios nanómetros, pueden utilizarse como emisores de campo con una eficiencia extremadamente alta para pantallas de emisión de campo (FED). El principio de funcionamiento se asemeja al del tubo de rayos catódicos, pero en una escala de longitud mucho menor.

Computadoras cuánticas

Enfoques completamente nuevos para la computación aprovechan las leyes de la mecánica cuántica para nuevas computadoras cuánticas, que permiten el uso de algoritmos cuánticos rápidos. La computadora Quantum tiene un espacio de memoria de bits cuánticos denominado "Qubit" para varios cálculos al mismo tiempo. En los dispositivos nanoelectrónicos, el qubit está codificado por el estado cuántico del espín de uno o más electrones. El espín está confinado por un punto cuántico semiconductor o un dopante.

Radios

Se han desarrollado nanoradios estructurados en torno a nanotubos de carbono.

Producción de energía

Se están realizando investigaciones para utilizar nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más económicas y eficientes de lo que es posible con las células solares planas de silicio convencionales. Se cree que la invención de una energía solar más eficiente tendría un gran efecto en la satisfacción de las necesidades energéticas mundiales.

También se investiga la producción de energía para dispositivos que operarían in vivo, llamados bio-nano generadores. Un bio-nano generador es un dispositivo electroquímico a nanoescala, como una celda de combustible o una celda galvánica, pero extrae energía de la glucosa en sangre en un cuerpo vivo, de la misma manera que el cuerpo genera energía a partir de los alimentos. Para lograr el efecto, se utiliza una enzima que es capaz de despojar a la glucosa de sus electrones, liberándolos para su uso en dispositivos eléctricos. El cuerpo de una persona promedio podría, en teoría, generar 100 vatios de electricidad (alrededor de 2000 calorías de alimentos por día) usando un bio-nano generador.Sin embargo, esta estimación solo es cierta si todos los alimentos se convirtieron en electricidad y el cuerpo humano necesita algo de energía constantemente, por lo que la posible energía generada es probablemente mucho menor. La electricidad generada por un dispositivo de este tipo podría alimentar dispositivos incrustados en el cuerpo (como marcapasos) o nanorobots alimentados con azúcar. Gran parte de la investigación realizada sobre bio-nano generadores aún es experimental, con el Laboratorio de Investigación de Nanotecnología de Panasonic entre los primeros.

Diagnósticos médicos

Existe un gran interés en la construcción de dispositivos nanoelectrónicos que puedan detectar las concentraciones de biomoléculas en tiempo real para su uso como diagnóstico médico, entrando así en la categoría de nanomedicina. Una línea de investigación paralela busca crear dispositivos nanoelectrónicos que puedan interactuar con células individuales para su uso en investigación biológica básica. Estos dispositivos se denominan nanosensores. Tal miniaturización de la nanoelectrónica hacia la detección proteómica in vivo debería permitir nuevos enfoques para el monitoreo de la salud, la vigilancia y la tecnología de defensa.