| Grupo de Películas delgadas y microelectrónica. Dpto. de Física Aplicada III. (UCM) |
| Nuevos aislantes para los transistores del futuro |
Investigadores de la UCM prueban nuevas técnicas y materiales para asegurar la capacidad aislante y la óptima funcionalidad de dispositivos microelectrónicos cada vez más pequeños |
El transistor es el elemento fundamental de cualquier circuito. La carrera por reducir el tamaño y aumentar las capacidades de artículos electrónicos tales como ordenadores y teléfonos móviles, se enfrenta a limitaciones físicas y técnicas cada vez más difíciles de superar. Germán González e Ignacio Mártil dirigen una investigación dedicada a obtener y estudiar dieléctricos –aislantes- de alta permitividad para que los transistores puedan continuar reduciéndose, sin perder funcionalidad. La sustitución del óxido de silicio, utilizado en la industria microelectrónica desde la década de los 50, permite contribuir a solucionar uno de los mayores problemas de la microelectrónica actual |
Sabrina Bagarella |
|
Ignacio Mártil y Germán González
|
|
|
|
|
"Realizar dieléctricos de alta permitividad es trabajar en una de las áreas más críticas de la tecnología microelectrónica actual" afirman Germán González e Ignacio Mártil sobre la investigación en la que trabajan desde 1992. La industria microelectrónica basa sus productos en circuitos integrados realizados con una tecnología que se conoce desde hace más de 40 años. Aunque se han ido mejorando y optimizando con el paso del tiempo, éstos circuitos siguen funcionando a base de transistores de silicio, el cual tiene una propiedad única: una fácil oxidación que genera unas características aislantes excelentes. |
El aislante es una parte estructural e indispensable de los transistores de efecto campo
|  | |
|
¿Por qué interesa que un semiconductor produzca un óxido que tenga buenas propiedades como aislante? Actualmente los circuitos integrados están compuestos de 2 tipos de transistores: Por una parte, los transistores bipolares, que necesitan el óxido como elemento pasivo de manera tal que aísle a un transistor de otro, sin que se afecte el funcionamiento de cada uno por separado. En los transistores de efecto campo, por el contrario, el óxido - el aislante- es una parte estructural del dispositivo y de su funcionamiento.
El transistor de efecto campo se compone de un drenador y una fuente - de características equivalentes-, los cuales se comunican a través de un una estructura de metal aislante semiconductor, en la que el aislante es actualmente el óxido de silicio. Si en el metal se aplican ciertas tensiones, el drenador y la fuente logran conectarse eléctricamente. "En electrónica digital, cuando no pasa corriente equivale a 0, si pasa, equivale a 1", precisa Ignacio Mártil, recordando el lenguaje binario básico en todo equipo digital.
Los investigadores señalan que el aislante con ciertas "incrustaciones" tiene diferentes propiedades, que incluso puede transformarse en una memoria. Mientras más memoria tiene un ordenador, mayor es su capacidad funcional."Se ha podido pasar en pocos años de memorias RAM de decenas de kilobytes a gigabytes gracias a la reducción de tamaño de los transistores. Al reducir el tamaño, hay que reducir todas las dimensiones, incluso la distancia entre el drenador y la fuente y el espesor del aislante", comenta Germán González. |  Equipo de la Sala Blanca de la Facultad de Físicas (UCM) |
|
|
|
Para que la estructura de metal aislante semiconductor siga cumpliendo su función en tamaños tan súper reducidos - unos 2 nanómetros (dos milmillonésimas de metro)- el aislante tiene que ser suficientemente denso como para soportar las tensiones eléctricas de manera adecuada."Existen cientos de problemas relacionados para resolver, pero éste es nuestro nicho tecnológico, lo que intentamos solucionar", afirma Ignacio Mártil. |
Miniaturización: Un "gran" problema
El problema de la miniaturización en los aislantes aparece en la literatura científica desde hace unos diez años, aproximadamente. Antes, con las cualidades del silicio y su óxido resultaba absurdo plantearse remplazarlo. Pero la necesidad de hacer transistores cada vez más pequeños nos lleva a buscar otras alternativas. ¿Por qué esta necesidad de hacer transistores cada vez más pequeños? "El mercado de consumo es el que empuja estos cambios" comentan Germán González e Ignacio Mártil , quienes consideran que "los PC y los teléfonos móviles son los motores de la industria microelectrónica actual" , mientras que en otros tiempos lo eran las necesidades militares.
El "cuello de botella" consiste en conseguir un aislante de mayor espesor físico que el óxido de silicio, pero que tenga su mismo comportamiento eléctrico. El problema es que el comportamiento eléctrico del silicio y de su óxido es difícilmente emulable. Cuando se intenta depositar un aislante distinto del óxido de silicio en la intercara, ésta se destruye. |
González y Mártil prueban dieléctricos de permitividad mayor a la del óxido de silicio con una técnica novedosa extrapolada de otro campo de la electrónica
| | |
|
Para solucionar este problema, la investigación de los doctores Mártil y González se plantea:1. Encontrar una técnica que minimice la destrucción de la intercara entre el aislante y el silicio durante la formación de dicho aislante
2. Lograr una técnica que permita extrapolar los resultados exitosos a la industria que quiera hacerlo
3. Encontrar técnicas complementarias que permitan reconstruir la intercara tras haber depositado el aislante
"Para sustituir al óxido de silicio, cuya permitividad es de 4, el dieléctrico sustituto debe tener una permitividad mayor a 20 ", indican los investigadores, recordando que la permitividad es la cualidad intrínseca de cualquier aislante. |
El estudio de las propiedades de otros materiales que puedan cumplir con este requisito resulta prioritario. Mártil indica que han tenido "resultados excelentes" con el óxido de titanio (Ti O2), cuya permitividad es de 90. El óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de zirconio (ZrO2) son otros dieléctricos que, según ambos investigadores, "están dando resultados prometedores" con una permitividad de 30, aproximadamente. |
Para realizar estas pruebas, los investigadores utilizan una técnica que nadie había aplicado en esta área, extrapolada del campo de superconductores de alta temperatura crítica. "En definitiva, los superconductores son también óxidos metálicos. Si la técnica funcionaba con ellos ¿por qué no con lo nuestro?", comentan. |
Para sacar la investigación adelante, hizo falta la financiación del Ministerio de Educación y Ciencia y del Fondo de Desarrollo Regional (FEDER) a fin de montar el laboratorio con las máquinas necesarias, muchas de las cuales han sido ensambladas por los mismos Germán e Ignacio con ayuda de técnicos de la facultad. "Los técnicos en los grupos de investigación aportan una visión más tridimensional de las cosas y los equipos. Aportan soluciones prácticas."
La Sala Blanca, un laboratorio resguardado de contaminación externa, es donde se realiza el depósito y procesado de los aislantes, la parte más crítica de la investigación. El análisis necesario para la caracterización de los materiales se realiza en otros laboratorios, entre los que se cuentan 4 españoles y uno en Alemania. "A diferencia de la mayoría de los centros de investigación en España, nosotros nos encargamos de producir, más que de analizar", comenta Germán González .
|  Equipo en proceso de ensamblaje en el CAI de Técnicas Físicas |
|
|
|
Los investigadores utilizan además las instalaciones del Centro de Asistencia al Investigador (CAI) de Técnicas Físicas de la Facultad, antes Centro de Implantación Iónica, el cual fue dirigido por el doctor González durante varios años. Allí someten las láminas con el óxido aislante a temperaturas de 1300 grados a fin de mejorar las propiedades del dieléctrico y de la intercara. |
A diferencia de la Sala Blanca, el CAI presta servicios a cualquiera que los solicite, bien sea otras facultades o incluso empresas privadas. Posee un implantador microelectrónico prácticamente nuevo cuyo objetivo esencial es la realización de impurificaciones de semiconductores. La aplicación más importante es, sin lugar a dudas, la elaboración de dispositivos electrónicos como los transistores, o bien optoelectrónicos tales como detectores y LEDS. |
"Contamos con un equipo más que aceptable para los niveles españoles", comenta Ignacio Mártil, a la vez que González señala la dificultad de encontrar salidas a la investigación que les ocupa por la ausencia de industria microelectrónica en España. " En nuestro país no hay interés en este campo porque no existe un parque industrial de este sector", afirma, si bien la preocupación por la microelectrónica es notable sobretodo en países como EEUU, Japón, y, por supuesto, el sureste asiático, donde se fabrican la inmensa mayoría de los transistores y chips que se utilizan en todo el mundo. |
Sobre el futuro de esta línea de investigación, Germán González comenta que la nanotecnología de la que ahora se habla tanto y que es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala, es decir, de unas medidas extremadamente pequeñas, no es un tema nuevo para la microelectrónica. "Las técnicas originarias de la microelectrónica se extrapolan a otros campos", señalan los investigadores, quienes a pesar de las limitaciones nacionales están conscientes de que su sector es y seguirá siendo de una gran importancia en la ciencia y la industria mundial. |
En el equipo de González y Mártil hay investigadores que colaboran con centros en Inglaterra y Alemania, lo que consideran una manera de nutrir al proyecto y asegurar su vigencia. "No hay que olvidar que trabajamos en una universidad", puntualiza Mártil. "Nuestra idea es ofrecerle a nuestros doctorandos temas de tesis con futuro, que resulten realizables". |
|
|
