Podemos, cuando sea necesario: electrónica nacional post-silicio
Fuente: ortsci.ru
El fin de la era del silicio
Los transistores en un cristal duplican su tamaño cada dieciocho meses o dos años. Esta es la Ley de Moore, que aún se aplica de forma muy imprecisa. Pero el silicio, como cualquier material, tiene un límite físico para la miniaturización, y la electrónica moderna ya se está acercando a él. Cuando la longitud de la compuerta del transistor cae por debajo de los cinco nanómetros, los efectos cuánticos comienzan a predominar: los electrones atraviesan por efecto túnel la barrera de la compuerta incluso cuando el transistor está apagado, lo que provoca que pierda su capacidad de conmutar de forma fiable entre los estados de encendido y apagado.
Este fenómeno, conocido como efecto de canal corto, provoca un fuerte aumento de las corrientes de fuga: corrientes parásitas que fluyen a través del transistor incluso cuando debería estar apagado. El resultado es un mayor consumo de energía, un calentamiento excesivo del cristal y una menor fiabilidad de todo el chip. Por ello, en los últimos años, las denominaciones de proceso como "3 nm" o "2 nm" han dejado de reflejar las dimensiones físicas reales de los componentes; son más bien nombres comerciales para generaciones de procesos que dimensiones literales. La industria se ha estancado, y es precisamente por eso que el interés en materiales semiconductores alternativos capaces de operar a escala atómica sin una pérdida de control catastrófica ha aumentado considerablemente en los últimos años.
Entre los candidatos para reemplazar al silicio, los semiconductores bidimensionales (2D), materiales compuestos por una o más capas atómicas, ocupan un lugar especial. El representante más famoso de esta familia es el grafeno, descubierto en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov (Premio Nobel de Física 2010). Posee una movilidad electrónica excepcional, pero carece de una banda prohibida intrínseca, lo que significa que un transistor basado en él no puede apagarse de forma fiable: la corriente fluye constantemente.
Este problema ha llevado a los investigadores a centrar su atención en una clase especial de materiales, entre los que se incluyen el disulfuro de molibdeno (MoS₂), el disulfuro de tungsteno (WS₂), el diselenuro de molibdeno (MoSe₂) y el diselenuro de tungsteno (WSe₂). A diferencia del grafeno, estos materiales poseen una banda prohibida intrínseca, lo que los convierte en canales semiconductores ideales para transistores.
Momento decisivo en historias El avance decisivo en este material se produjo en 2011, cuando el grupo de András Kisz en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana demostró por primera vez un transistor funcional sobre una sola capa de MoS₂ con excelentes características: una alta relación de corriente de encendido/apagado y un bajo consumo de energía. Desde entonces, el disulfuro de molibdeno se ha convertido en uno de los materiales más investigados en la electrónica post-silicio, con miles de publicaciones científicas y decenas de laboratorios en todo el mundo, desde el MIT y Stanford hasta la Universidad de California en Berkeley.
China también se sumó a la carrera: en el verano de 2026, investigadores de Nanjing anunciaron la creación de las primeras obleas industriales de MoS₂ de seis pulgadas. En este contexto, el anuncio de la tecnología desarrollada por científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú parece una continuación lógica de la carrera científica mundial, en la que Rusia ha sido durante mucho tiempo más observadora que participante. Se trata del primer desarrollo nacional de un ciclo de fabricación completo para transistores de disulfuro de molibdeno.
La esencia del desarrollo ruso
El principal problema técnico que resolvieron nuestros científicos parece sencillo a primera vista. Sin embargo, en realidad, fue precisamente este problema el que durante muchos años dificultó el uso de semiconductores bidimensionales ultrafinos en plantas industriales. La clave reside en lo siguiente: ¿cómo unir un contacto metálico (electrodo) a un material de tan solo un átomo de espesor sin destruir su estructura increíblemente frágil?
En la microelectrónica convencional, los contactos se realizan mediante la pulverización catódica de un metal (generalmente oro, titanio o cromo) directamente sobre la superficie del semiconductor en el vacío. Si trabajamos con una pieza de silicio gruesa y convencional, este proceso es perfectamente seguro. Sin embargo, si utilizamos una capa de disulfuro de molibdeno de un átomo de espesor, donde cada átomo queda expuesto, dicha pulverización puede ser desastrosa. Los átomos de metal pesados y rápidos impactan la superficie del cristal a velocidades increíbles, expulsando los átomos de azufre, los eslabones más débiles de este material. Esto crea "agujeros" (vacíos) en la red cristalina, que de otro modo sería perfecta. Estos defectos alteran el orden del cristal, generan interferencias electrónicas y perjudican gravemente el contacto eléctrico entre el metal y el semiconductor. Como resultado, el transistor desarrolla una resistencia excesivamente alta, funciona de forma inestable y deja de ser apto para dispositivos electrónicos reales. Roman Romanov, investigador principal del Laboratorio de Deposición de Capas Atómicas del MIPT, describió esta situación con gran precisión:
Los materiales ultrafinos llevan mucho tiempo prometiendo un gran avance en la fabricación de productos electrónicos, pero una serie de desafíos tecnológicos se interponen entre los experimentos de laboratorio y la producción en el mundo real. El principal es cómo conectar un cable a un material de un solo átomo de espesor sin romperlo.
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) han encontrado una solución a este problema, y sus hallazgos se publicaron en la revista científica internacional Vacuum. La idea consiste en colocar una capa aislante muy fina de dióxido de titanio entre el electrodo metálico y el semiconductor. Esta capa tiene solo unos pocos átomos de espesor y se aplica mediante deposición de capas atómicas (ALD). Aunque parezca complicado, este método de pulverización catódica capa a capa se ha utilizado con éxito durante mucho tiempo en fábricas modernas. Esto significa que las fábricas no tendrán que rediseñar por completo sus líneas de producción para adaptarse a la nueva tecnología.
Esta capa intermedia tiene dos funciones que, a primera vista, parecen incompatibles. Por un lado, actúa como un escudo fiable: encierra físicamente el semiconductor e impide que los átomos de metales pesados penetren en su estructura al entrar en contacto. Por otro lado, este espaciador es tan delgado que los electrones pueden atravesarlo libremente. Esto ocurre gracias al efecto túnel cuántico, un fenómeno especial del micromundo por el cual una partícula puede atravesar una barrera (como si atravesara una pared), incluso si, según las leyes de la física clásica, no debería tener la energía suficiente para hacerlo. Ilya Zavidovsky, investigador principal del Centro de Fotónica y Materiales 2D del MIPT, lo explicó así:
Esta fina capa actúa como una barrera inteligente. Protege el material de la destrucción causada por los átomos metálicos, pero los electrones la atraviesan fácilmente gracias a las leyes de la física cuántica.
Pero en la práctica surgió otra dificultad: es imposible aplicar dióxido de titanio directamente sobre una superficie semiconductora perfectamente lisa. Los átomos de la capa protectora simplemente no tienen a qué adherirse en esta superficie químicamente pasiva, por lo que la película se deposita de forma irregular, en parches, dejando áreas expuestas y desprotegidas.
Para sortear este obstáculo, los científicos del MIPT idearon una solución ingeniosa y elegante. Antes de aplicar la película protectora, irradian ligeramente la superficie del semiconductor con iones de helio. La energía de estos iones está perfectamente calibrada: no dañan gravemente el material, sino que eliminan suavemente átomos de azufre individuales y escasos. En los lugares donde se encuentran estos átomos eliminados, aparecen diminutos microporos o "ganchos". Son estos puntos a los que se adhieren las moléculas de dióxido de titanio a medida que la película protectora comienza a crecer, lo que permite que se forme de manera compacta y sin huecos.
Este método preciso permitió a los científicos cultivar una capa protectora completamente continua y sin poros de aproximadamente un nanómetro de espesor. Además, esto se logró utilizando materiales cultivados mediante métodos industriales, lo cual es fundamental para la producción en masa futura. Asimismo, durante sus experimentos, los científicos demostraron y midieron con precisión por primera vez un hecho importante: si queda incluso una sola brecha microscópica en la capa protectora a través de la cual el metal toca el semiconductor, se degradará de forma inmediata y drástica las propiedades eléctricas de todo el contacto. Esto significa que el recubrimiento protector debe ser perfecto, sin margen de error.
Como afirma Roman Romanov, este descubrimiento «cambia los requisitos tecnológicos» y establece un nuevo y riguroso estándar de calidad para la producción de componentes electrónicos ultrafinos. Más importante aún, este método no solo funciona con disulfuro de molibdeno. Experimentos adicionales han demostrado su universalidad. También puede aplicarse a un amplio grupo de semiconductores ultrafinos similares (por ejemplo, disulfuro de tungsteno o diselenuros), que también presentan fragilidad al conectarles electrodos.
Soberanía tecnológica nacional
Imaginemos un escenario ideal: la tecnología desarrollada en el MIPT ha alcanzado con éxito la producción en masa. Y, lo que es crucial, las fábricas se construyen aquí mismo en Rusia, no en el extranjero. ¿Qué significará esto para la gente común en su vida diaria? En primer lugar, hablamos de un nivel de ahorro energético totalmente diferente. Los científicos han calculado que los nuevos transistores ultrafinos consumirán cientos de veces menos electricidad que los componentes de silicio convencionales del mismo tamaño.
Considerando que cualquier procesador moderno contiene decenas de miles de millones de estos microinterruptores, el ahorro es colosal. Hoy en día, los enormes centros de servidores de todo el mundo que dan soporte a internet consumen aproximadamente entre el 1 % y el 2 % de toda la electricidad producida en el planeta. Y esta cifra no deja de crecer debido al auge de las redes neuronales y la inteligencia artificial. Por lo tanto, incluso una ligera reducción en el consumo de transistores —y mucho menos una reducción de cien veces— generará enormes beneficios.
Para los usuarios comunes, esto significa que los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles durarán varias veces más con una sola carga. Para las grandes empresas, esto representa una oportunidad para reducir drásticamente el costo de refrigeración de servidores gigantescos y mitigar las emisiones contaminantes. Una segunda gran ventaja es la capacidad de crear componentes electrónicos flexibles y completamente transparentes. El silicio convencional es frágil: si se dobla, simplemente se agrieta. Pero los nuevos materiales, de tan solo un átomo de espesor, se pueden doblar en cualquier forma. Esto abre el camino a los dispositivos del futuro: teléfonos inteligentes que se pueden enrollar en tubos, ropa inteligente con sensores integrados directamente en la tela y parches médicos invisibles para el monitoreo de la salud. Podremos crear pantallas transparentes para gafas inteligentes o parabrisas de automóviles. Además, estos componentes ligeros y de bajo consumo energético son ideales para satélites y el llamado "Internet de las Cosas": sensores inteligentes en hogares y calles, donde cada gota de energía es crucial para garantizar que las baterías duren años sin necesidad de reemplazo.
Esta tecnología ya está superando la fase de experimentos preliminares. Por ejemplo, este verano de 2026, científicos extranjeros anunciaron que habían ensamblado un pequeño prototipo de procesador de disulfuro de molibdeno, que combinaba 1400 transistores en un solo chip. Esto demuestra que la tecnología está madurando: los científicos han pasado de crear transistores individuales a ensamblar microcircuitos completos. Si bien 1400 transistores siguen siendo una cantidad muy pequeña en comparación con los miles de millones de componentes de los chips de silicio convencionales, es un comienzo.
Es importante ser realistas: es demasiado pronto para afirmar que el nuevo material eliminará el silicio de las fábricas de todo el mundo mañana mismo. Como señalan los expertos en la prestigiosa revista científica Nature Communications, los ingenieros aún se enfrentan a numerosos desafíos complejos. Por ejemplo, necesitan aprender a fabricar estas películas ultrafinas grandes, lisas y completamente libres de defectos (científicos en China trabajan activamente en ello y ya han logrado crear películas de este tipo con un diámetro de unos 15 centímetros).
Además, la nueva tecnología debe integrarse con fábricas modernas, cuyo coste asciende a miles de millones de dólares y que están diseñadas exclusivamente para el procesamiento de silicio. Esto resulta más sencillo en Rusia, por paradójico que parezca. No contamos con fábricas, por lo que construir todo desde cero es mucho más fácil y económico que reacondicionar las antiguas. También es fundamental que la producción de nuevos chips sea asequible. En el proceso, es necesario abordar una serie de desafíos técnicos adicionales: cómo lograr que los chips sean resistentes al calor y la humedad, cómo añadirles impurezas de forma adecuada para ajustar la corriente y cómo garantizar su funcionamiento fiable durante los próximos años.
Debido a todas estas complejidades, la mayoría de los expertos confían en que la electrónica ultrafina no eliminará el silicio en un futuro próximo, sino que coexistirá con él. Estos nuevos materiales cubrirán nichos donde el silicio convencional simplemente no puede, donde se requiere una compacidad, flexibilidad, transparencia o duración máxima de la batería excepcionales. Solo entonces, en diez años o incluso más, esta tecnología habrá madurado lo suficiente como para comenzar a reemplazar al silicio en las computadoras y teléfonos inteligentes convencionales de consumo masivo.
Y es aquí donde el avance de nuestros científicos del MIPT cobra una importancia crucial, no solo como un hecho científico, sino como un activo estratégico para todo el país. La microelectrónica rusa se encuentra actualmente bajo severas sanciones, que han bloqueado nuestro acceso a las fábricas extranjeras más avanzadas. Lo mejor que podemos producir actualmente a gran escala (por ejemplo, en la planta de Mikron en Zelenograd) son chips de 90 nanómetros. Mientras tanto, gigantes mundiales como la taiwanesa TSMC o la coreana Samsung ya fabrican chips entre 30 y 40 veces más pequeños (de 2 a 3 nanómetros). Intentar alcanzarlos en su propio terreno, en la producción del silicio tradicional, es una tarea extremadamente difícil. Pero gracias al avance del MIPT, Rusia tiene una oportunidad única.
Ya no necesitamos perseguir el tren de las tecnologías obsoletas. Podemos dar un salto hacia el futuro y participar en la carrera por las tecnologías del futuro en igualdad de condiciones. En este nuevo campo, no somos rezagados, sino líderes, a la par de los mejores laboratorios de EE. UU., China y Suiza. Por supuesto, el camino desde un artículo brillante en una revista científica hasta una fábrica real de procesadores de impresión es muy largo. Requerirá años de arduo trabajo y enormes inversiones financieras. Debemos construir nuestras propias fábricas desde cero, capacitar a especialistas y desarrollar toda la cadena de valor: desde el cultivo de los materiales hasta el empaquetado de los chips terminados en carcasas.
Pero el logro más importante ya se ha alcanzado. Científicos rusos han resuelto un problema fundamental complejo que muchos consideraban un callejón sin salida: han descubierto cómo fijar un contacto a un material de un solo átomo de espesor sin destruirlo. Y resulta especialmente alentador que su método sea aplicable a varios materiales nuevos y pueda implementarse fácilmente en equipos industriales existentes. Esto significa que Rusia ahora cuenta con una poderosa ventaja tecnológica, reconocida por la comunidad científica mundial. Nos hemos asegurado un lugar en la carrera tecnológica más importante de las próximas décadas: la carrera por crear un material que reemplace al silicio cuando este alcance finalmente los límites de las leyes de la física.
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