1. La aparición de los transistores térmicos

Un revolucionario transistor térmico desarrollado por un equipo de investigación de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) ha logrado avances tecnológicos revolucionarios. Tiene un potencial incomparable en diseño a nivel atómico e ingeniería molecular para la gestión térmica de chips de computadora.

Este nuevo tipo de transistor térmico de estado sólido utiliza efectos de campo eléctrico para controlar con precisión el movimiento del calor dentro de los componentes semiconductores. Tiene un potencial incomparable en diseño a nivel atómico e ingeniería molecular para la gestión térmica de chips de computadora, al tiempo que demuestra una excelente compatibilidad con los procesos actuales de fabricación de semiconductores.

Este transistor ha alcanzado una velocidad de conmutación récord superior a 1 terahercio y ofrece una capacidad de ajuste del 1300 % en la conductividad térmica, superando las limitaciones anteriores en la modulación de la conductividad térmica.

Para validar esta tecnología, se utilizaron interfaces moleculares autoensambladas para ajustar con precisión la resistencia térmica mediante un campo eléctrico, demostrando el control del movimiento del calor.

Esta innovación tecnológica escalable no solo marca un salto significativo en la fabricación y el rendimiento de los chips, sino que también promete avanzar en la gestión térmica a nivel molecular, extendiéndose potencialmente al ámbito de las células vivas.

El soporte técnico lo brindan el Centro de Investigación de Nanoelectrónica de UCLA y CNSI, con recursos de información de la división de Educación e Investigación Digital de la Biblioteca de UCLA y el Ecosistema de Coordinación de Infraestructura de Red Avanzada del Instituto de Investigación y Educación Digital.

2. Actualizaciones de las máquinas de litografía EUV de ASML

En 2023, ASML entregó su primer escáner EUV High-NA, el Twinscan EXE:5000, a Intel. El desarrollo colaborativo de esta máquina comenzó en 2018. Intel planea implementar Twinscan EXE:5200 de calidad comercial para una producción de gran volumen en 2025.

La lente de 0.55 NA del escáner EUV de alta NA garantiza una resolución de 8 nm, crucial para la producción de chips avanzados de 3 nm y superiores. Como primera empresa en adoptar este equipo de vanguardia, Intel obtiene una ventaja estratégica para establecer estándares en la industria, superando potencialmente a competidores como Samsung y TSMC en el futuro.

El escáner High-NA presenta capacidades únicas, con el tamaño del haz reducido a la mitad una vez más, lo que requiere importantes inversiones en infraestructura. La adopción temprana de esta última tecnología por parte de Intel es un paso preparatorio crucial para implementar técnicas de fabricación más avanzadas. ASML se ha comprometido a producir 20 escáneres EUV High-NA anualmente para 2027-2028, posicionando esta tecnología como una piedra angular para avances futuros. Intel pretende establecerse como líder de la industria.

3. Chips diseñados por IA

Un controvertido artículo de investigación publicado por Google afirma avances significativos en la inteligencia artificial para el diseño de chips, lo que genera conmoción en la industria.

Google afirma que su tecnología de inteligencia artificial ha acelerado la planificación del diseño de las unidades de procesamiento subyacentes de su chip de IA, completando la tarea en menos de seis horas, superando con creces las capacidades de los expertos humanos.

El chip TPU v5 ha generado polémica. Google afirma que su propósito no es reemplazar a los diseñadores humanos sino demostrar que la IA puede colaborar en el proceso de diseño de chips. (A los estadounidenses también les preocupa que la IA les quite sus empleos, y Google dice que solo están experimentando y que en realidad no la usarán. ¿Les cree?)

A pesar del escepticismo de los investigadores pares sobre la validez de este estudio y los desafíos que aún quedan, desempeña un papel crucial en el impulso de la innovación tecnológica. Una vez que la tecnología madure, el panorama de la industria del diseño de chips estará preparado para una transformación importante.

4. Tecnología de suministro de energía inversa para chips

Intel está introduciendo con cautela una nueva tecnología, PowerVia, junto con el lanzamiento de RibbonFET. PowerVia emplea entrega de energía trasera colocando interconexiones de energía en la parte inferior del silicio, lo que resulta en un aumento de frecuencia del 6 %, diseños más compactos y una reducción del 30 % en la disipación de energía.

Las pruebas indican que no hay aumento en el costo ni reducción en la confiabilidad. El proceso de fabricación incluye perforación a nanoescala (TSV), unión de obleas portadoras y establecimiento de interconexiones de energía en la parte inferior del chip. A pesar de la complejidad adicional, Intel logró ahorros de costos al optimizar la capa M0 sin interconexiones de energía.

PowerVia se ha integrado con éxito en el proceso de producción de Intel, allanando el camino para el nodo de 20 A con transistores RibbonFET en 2024. Este avance posiciona a Intel para superar potencialmente a competidores como TSMC y Samsung en transistores de nanohojas y suministro de energía posterior.

5. Chip integrado con láser

Los circuitos integrados de fotónica (PIC) han tenido una amplia aplicación en transceptores ópticos de alta velocidad y aplicaciones como LIDAR. Sin embargo, la integración de láseres en chips fotónicos de silicio sigue siendo un desafío importante debido a la limitada eficiencia de emisión del silicio. El centro belga de investigación en nanoelectrónica, Imec, lidera esta iniciativa de investigación. En un proceso llamado unión de chip invertido, las matrices láser se alinean con precisión con una precisión submicrónica, se transfieren y se unen a obleas fotónicas de silicio.

El proceso de fotónica de silicio a nivel de oblea ha logrado eficiencias de acoplamiento de hasta el 80 %, y algunos ejemplos de aplicación alcanzan un satisfactorio 60 %. Esto demuestra la eficacia de este enfoque.

Existen varios métodos para transferir matrices láser. Un enfoque es la impresión por microtransferencia, que utiliza adhesivos o enlaces moleculares para un ensamblaje y acoplamiento rápidos. Este método es muy valioso en escenarios de alto rendimiento donde es necesario integrar una gran cantidad de componentes III-V. La unión de obleas es otra técnica para unir materiales III-V a obleas de silicio, lo que permite el procesamiento en paralelo de múltiples dispositivos y ofrece una mayor eficiencia para las interfaces ópticas.

La tecnología de Imec es la integración monolítica, también conocida como Nano Ridge Engineering (NRE), que representa un enfoque de vanguardia. Este método utiliza confinamiento en zanjas para limitar los defectos, con el objetivo de lograr un crecimiento libre de defectos de materiales III-V sobre silicio.

La tecnología NRE de Imec permite la producción de fotodiodos basados ​​en GaAs de alta calidad en una línea de producción de silicio de 300 mm.

El procesamiento con chip invertido ofrece simplicidad y flexibilidad, pero su naturaleza secuencial limita la eficiencia de la producción. Por el contrario, la impresión por microtransferencia y la unión de obleas, a pesar de requerir costos más altos, demuestran un mayor rendimiento y un menor potencial de costos en aplicaciones que requieren múltiples láseres por CI de fotón. La integración monolítica, particularmente NRE, presenta una dirección prometedora al abordar el desafío fundamental del crecimiento libre de defectos directamente en el silicio para componentes básicos. Con la difusión y el avance de este proceso, está preparado para satisfacer mejor diversas necesidades de aplicaciones en el campo de la fotónica de silicio.

6. Fusión de fotones

Los investigadores del Laboratorio Congreve de la Universidad de Stanford son pioneros en la tecnología fotocromática, centrándose en la conversión ascendente de frecuencia, que convierte dos fotones de baja energía en uno de alta energía. Utilizando el método de aniquilación triplete-triplete y aprovechando las propiedades sensibilizadoras triplete de metales pesados ​​como paladio, iridio o platino, junto con materiales excitables como el rubreno, el equipo ha logrado con éxito una emisión eficiente de fotones de alta energía.

Este proceso convierte la longitud de onda de la luz en una longitud de onda que puede ser absorbida por las células solares de silicio, esencialmente cambiando el color de la luz (tecnología de cambio de color). Esta técnica se ha aplicado para mejorar la eficiencia de la energía solar, incrementándola potencialmente entre un 15 y un 20%.

Además, los experimentos de investigación han demostrado la capacidad de la impresión 3D con tecnología de conversión ascendente, que permite un curado preciso de la resina en puntos específicos utilizando láseres de baja potencia. Esto proporciona nuevas posibilidades para la fabricación aditiva. Estos láseres de baja potencia pueden imprimir rápidamente objetos a nanoescala en paralelo, superando las limitaciones actuales de precisión de impresión.

Esta tecnología transformadora no solo aborda los desafíos de la energía solar y la impresión 3D, sino que también es prometedora para diversas aplicaciones, incluidas imágenes de tejidos profundos, optogenética, sistemas de visión nocturna y soluciones contra la falsificación. Los investigadores han explorado la aplicación de la tecnología de conversión ascendente de frecuencia de luz del infrarrojo cercano para obtener imágenes de tejidos profundos, optogenética y aplicaciones de reacciones químicas localizadas dentro de tejidos vivos.

El trabajo del Congreve Lab demuestra el potencial diverso y transformador de la tecnología de conversión ascendente de frecuencia en diversas industrias, y marca solo el comienzo de sus posibles aplicaciones.

7.Acelerador de electrones a escala de chip

Los físicos de la Universidad de Erlangen-Nuremberg han logrado avances significativos en aceleradores de electrones del tamaño de un chip. El equipo fabricó un acelerador en un chip utilizando materiales dieléctricos, creando un canal de 225 nanómetros de ancho y 0.5 milímetros de largo. Empleando pulsos de láser infrarrojo sincronizados con precisión y 733 pilares de silicio, cada uno de 2 micrómetros de altura, pudieron aumentar la energía de los electrones en un impresionante 43%.

Esto representa un importante avance en el campo de la física de aceleradores. Los aceleradores de electrones nanofotónicos se pueden construir utilizando técnicas estándar de sala blanca, como la litografía por haz de electrones. Los investigadores pretenden desarrollar aceleradores compactos para explorar aplicaciones en fuentes de luz de sincrotrón, láseres de electrones libres y la búsqueda de materia oscura ligera.

8.Nuevos materiales para semiconductores de alta velocidad

Los científicos han descubierto lo que se dice que es el material semiconductor más rápido y eficiente hasta la fecha: Re6Se8Cl2. Este material está compuesto de renio, selenio y cloro, formando grupos conocidos como "superátomos". Estos superatomos crean una estructura única donde los excitones unidos (pares de electrones-huecos) interactúan con los fonones en lugar de estados de dispersión, lo que da como resultado nuevas cuasipartículas llamadas excitones-polarones acústicos.

Estas son algunas de las características clave de este novedoso supersemiconductor:

★ Re6Se8Cl2 exhibe un movimiento balístico sostenido de excitones a temperatura ambiente, siendo la velocidad de movimiento de los excitones-polarones acústicos el doble que la de los electrones en el silicio.

★ A diferencia de los semiconductores tradicionales donde los electrones se dispersan en distancias cortas, los excitones-polarones del Re6Se8Cl2 atraviesan varios micrómetros en nanosegundos, lo que demuestra un rendimiento de velocidad excepcional.

★ Este semiconductor funciona basándose en el control de la luz en lugar de la corriente eléctrica, logrando velocidades de procesamiento en el rango de femtosegundos, que es significativamente más rápido que los dispositivos electrónicos de rango de gigahercios disponibles actualmente.

★ Re6Se8Cl2 es un material de van der Waals y forma parte de la familia de semiconductores superatómicos. Sin embargo, el renio es un elemento raro, por lo que los investigadores buscan materiales alternativos con propiedades similares.

★ Los excitones-polarones acústicos ofrecen un método novedoso para lograr una transferencia de energía de largo alcance en materiales no convencionales, ampliando su aplicación más allá de los usos tradicionales de los semiconductores.

★ La utilización de excitones en lugar de electrones puede servir como fotodetectores eficientes o encontrar aplicaciones en informática para mejorar la eficiencia y el rendimiento energético. Los dispositivos potenciales incluyen "transistores balísticos".

Los investigadores enfatizan que, si bien los excitones transportan información y energía como los electrones, es posible que no sean directamente compatibles con el hardware actual de la industria de semiconductores. Estos hallazgos abren nuevas vías para el diseño de dispositivos semiconductores avanzados con funcionalidades únicas.

Hay muchos conceptos nuevos aquí, así que agreguemos algunas explicaciones:

excitones

Un excitón es una cuasipartícula utilizada en física del estado sólido para describir un sistema en el que un electrón y un hueco (una vacante con carga positiva) interactúan mediante fuerzas de Coulomb dentro de un material cristalino.

fonones

Un fonón es la unidad cuantificada de vibraciones de la red, que representa el cuanto más pequeño de energía asociado con un modo normal de vibración en una red cristalina, como se describe en la mecánica cuántica.

Superátomos

Los superatomo son unidades estructurales estables compuestas por varios átomos que exhiben propiedades similares a las de los átomos individuales. Sus propiedades físicas y químicas varían con el número de átomos constituyentes, su estructura y composición.

Cuasipartículas

Una cuasipartícula es un nuevo estado similar a una partícula que se forma temporalmente en condiciones específicas debido a interacciones, exhibiendo propiedades colectivas distintas de las partículas fundamentales ordinarias. Por ejemplo, en los superconductores, la interacción entre electrones y fonones puede formar pares de Cooper, que son bosones cargados que actúan de manera similar a los electrones convencionales dentro del superconductor. Por tanto, los pares de Cooper pueden considerarse cuasipartículas.

9. Cuestiones de sostenibilidad en los semiconductores: nitruro de galio frente a carburo de silicio

Debido a las ventajas de los semiconductores de nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC) sobre la tecnología tradicional de silicio, el campo de la electrónica de potencia está experimentando una transformación significativa. Alrededor de 2001, los semiconductores compuestos basados ​​en GaN provocaron un cambio revolucionario en la industria de la iluminación, capturando rápidamente más del 50% del mercado mundial de iluminación LED basado en GaN. Este cambio no sólo redujo el consumo de electricidad para iluminación entre un 30% y un 40%, sino que también sentó las bases para cambios revolucionarios más amplios en la electrónica de potencia. GaN y SiC están contribuyendo significativamente a la sustitución del silicio en aplicaciones críticas de electrónica de potencia con su eficiencia y funcionalidad superiores. Estos materiales reducen el desperdicio de energía y aportan importantes beneficios medioambientales.

Estos nuevos avances tecnológicos, si bien dan forma a la industria de los semiconductores, también resaltan su trayectoria de desarrollo para los próximos años. A medida que los límites de la tecnología se amplían continuamente, la única constante es la innovación implacable.