Estos semiconductores de un átomo de grosor escribirán el futuro de la computación

Estos semiconductores de un átomo de grosor escribirán el futuro de la computación | WIRED

7 de julio de 2025

Por primera vez, investigadores estadounidenses desarrollan circuitos integrados lógicos denominados CMOS usando únicamente materiales con la delgadez de un solo átomo, en lugar de silicio. Éste podría ser el comienzo de la próxima generación de electrónica.

Todos los dispositivos electrónicos modernos, desde los teléfonos inteligentes y las laptops hasta los vehículos eléctricos, funcionan con semiconductores de silicio. Sin embargo, los dispositivos basados en silicio ya se enfrentan a limitaciones físicas en términos de miniaturización, y se está creando un impulso hacia una próxima generación de electrónica ‘sin silicio’.

¿Cómo será la 'electrónica sin silicio'?

En este contexto, se está prestando atención a los materiales con un grosor de una sola capa atómica, conocidos como materiales bidimensionales extremadamente finos. Es necesario aclarar, sin embargo, que aunque un átomo es verdaderamente pequeño, es considerado una estructura tridimensional que se define por la disposición del núcleo y la nube de electrones que le rodea. Estos materiales, por ende, no cuentan realmente con solo dos dimensiones, al menos no en escala subatómica.

Dichos materiales no degradan sus propiedades ni siquiera cuando son atómicamente finos; de hecho, son conocidos por su capacidad para conducir eficazmente la corriente eléctrica y por su estructura extremadamente resistente y flexible.

Recientemente, un equipo de investigación estadounidense ha logrado desarrollar el primer semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) del mundo utilizando únicamente estos materiales bidimensionales. El CMOS es un circuito lógico estándar muy utilizado en los dispositivos electrónicos modernos, como una computadora capaz de realizar operaciones aritméticas sencillas.

Con la continua miniaturización de los transistores de efecto de campo (FET), el silicio ha impulsado la enorme evolución de la electrónica", explica Saptarshi Das, catedrático de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Pensilvania. Por otro lado, la miniaturización extrema de los dispositivos de silicio ha hecho inevitable la degradación del rendimiento. Ahí es donde se espera que los materiales bidimensionales sean una alternativa prometedora".

Hojas de átomos uniformes

Das y su equipo fabricaron transistores de tipo n y p combinando dos materiales bidimensionales: disulfuro de molibdeno (MoS₂ ) y seleniuro de tungsteno (WSe₂). Esto significa que todas las configuraciones básicas necesarias para los CMOS se han conseguido a nivel de una sola capa atómica.

El tipo n es un tipo de semiconductor en el que la corriente es transportada principalmente por electrones (partículas cargadas negativamente). Cuando se aplica un voltaje desde el exterior, los electrones que se mueven libremente comienzan a desplazarse, y este flujo genera una corriente eléctrica.

En cambio, en el tipo p, el responsable de la corriente es el agujero por el que escapan los electrones. El agujero en sí no se mueve, pero los electrones que lo rodean se desplazan a su vez a la posición del agujero, lo que hace que parezca que fluyen partículas cargadas positivamente. En otras palabras, los semiconductores de tipo p se comportan como si aparentemente fluyera una "carga positiva". El CMOS es un circuito que combina estos dos tipos de semiconductores de forma que se complementan para controlar la corriente.

En CMOS, los transistores de tipo n y p pueden encenderse y apagarse como un interruptor en respuesta a una entrada. Esto permite realizar operaciones lógicas con eficacia y mantener un consumo de energía en modo de espera extremadamente bajo. Esta estructura de circuito desempeña un papel fundamental en los smartphones modernos y en las PC como mecanismo que combina ahorro de energía y alta velocidad.

El CMOS se fabrica mediante un sistema conocido como deposición de vapor metal-orgánico (MOCVD). Se trata de un método de procesamiento en el que las materias primas evaporadas se depositan sobre un sustrato mediante una reacción química, y es adecuado para aplicaciones en las que se deben formar películas finas de grosor uniforme y sobre una amplia superficie. Con este método, los investigadores han fabricado con éxito más de 1,000 transistores de gran precisión.

El equipo también optimizó el voltaje umbral de los transistores de tipo n y p ajustando con precisión el proceso posterior a la producción. Esto permitió que ambos trabajaran de forma equilibrada y que todo el circuito CMOS funcionara de forma estable.