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    Diseño cuántico de heteroestructuras: el futuro de los equipos electrónicos

    CC BY-SA 2.0 / Uwe Hermann / Intel Celeron CPU
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    Casi todos los componentes de los actuales dispositivos electrónicos —transistores, diodos emisores de luz, fotodetectores, láseres semiconductores o paneles solares— están construidos a partir de las llamadas heteroestructuras.

    ¿Cómo son estas estructuras y por qué desempeñan un papel tan importante para la humanidad? ¿Por qué sus investigadores fueron premiados con el Premios Nobel en el pasado, cómo es su diseño actual y qué pasará con los equipos electrónicos en el futuro?

    La etapa inicial: electrones y huecos

    Todos saben que los actuales equipos electrónicos se fabrican con el uso de semiconductores. Muchos piensan que en los semiconductores la corriente eléctrica fluye solo en una dirección, pero esto es falso. Los semiconductores evitan el paso de la electricidad o la dejan fluir en cualquier dirección. Todo depende de la temperatura, la luz y la presencia de aditivos.

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    Mientras, los diodos semiconductores funcionan como válvulas, dejando pasar la corriente eléctrica en una sola dirección. Esto se consigue uniendo varios elementos.

    En cualquier dispositivo electrónico hay un contacto de dos o más sustancias de distinta composición. Si este contacto se genera entre los sectores de un semiconductor que contienen un volumen distinto de aditivos, se trata de la llamada unión PN.

    Agregando un aditivo a un cristal puro de semiconductor se puede incrementar su conductividad decenas de veces. Conforme a la combinación de los elementos, los electrones negativamente cargados (tipo n) o huecos positivamente cargados (tipo p) serán portadores de corriente eléctrica.

    Los aditivos se añaden de varias maneras. Por ejemplo, para crear transistores bipolares de silicio, que se pueden contar por millones en el microprocesador de un ordenador normal o un teléfono inteligente se suele aplicar la implantación iónica: un bombardeo por iones acelerados en el vacío.

    A pesar de que esta tecnología no es complicada, las uniones PN tienen sus deficiencias, por ejemplo, una baja resistencia a temperaturas altas. Hasta en un semiconductor puro se generan electrones y huecos cuando se calienta: es decir, si el cristal 'olvida' la presencia de aditivos, el diodo empezará a dejar pasar la corriente eléctrica en ambas direcciones y el dispositivo dejará de funcionar. Los láseres con uniones PN funcionan solo a temperaturas de nitrógeno líquido.

    El camino hacia el Premio Nobel

    Esta imperfección de uniones PN y la necesidad general de láseres semiconductores que funcionen a temperatura ambiente impulsaron a los científicos a crear heterouniones y heteroestructuras.

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    En una heterounión se unen dos elementos cristalinos y su contacto debe ser ideal —sin grietas u otros defectos—, explica el ingeniero del Instituto de Nanotecnologías de Electrónica, Espintrónica y Fotónica (INTEL) de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares (MEPhI) de Rusia (Moscú), Yuri Sibirmovski.

    "La variedad de características en este límite genera muchos fenómenos útiles. A diferencia de la unión PN, el calentamiento casi no ejerce una influencia en las características de las heteroestructuras", destaca.

    Los semiconductores típicos son el silicio, el germanio o las uniones АIIIBV (por ejemplo, arseniuro de galio GaAs o arseniuro de indio InAs, así como InP, GaN). Uniendo estos elementos y sus soluciones triples, se pueden modificar ampliamente las características electrónicas y ópticas de los dispositivos.

    En 1947, el inventor del transistor, William Shockley, propuso por primera vez unir varios semiconductores en un dispositivo. Un avance importante lo hicieron independientemente el científico soviético Zhorés Alfiórov, y Herbert Krömer, en los años sesenta, al compartir posteriormente el Premio Nobel de Física en el año 2000.

    Los científicos propusieron diseñar un láser con una doble heterounión en cuya capa central estuvieran 'cerrados' tanto los electrones que emiten la luz como el propio rayo láser hasta la salida del cristal.

    Esta solución permitió a los láseres semiconductores funcionar de modo interrumpido a temperatura ambiente. Ahora se usan de forma generalizada, por ejemplo, en unidades de DVD y tocadiscos.

    En los años sesenta parecía poco probable realizar heterouniones ideales. Mientras, Zhorés Alfiórov y sus colegas pudieron diseñar un sistema de elementos GaAs/AlxGa1-xAs. Esta heteropareja empezó a emplearse en la fabricación no solo de láseres, sino también de transistores poco ruidosos que se integran en teléfonos inteligentes para aumentar la señal.

    Epitaxia por haces moleculares: entre la ciencia y el arte

    La técnica de la epitaxia por haces moleculares (MBE por sus siglas en inglés) ayudó a conseguir heterouniones ideales. El crecimiento de la estructura con el uso de este método se produce por la evaporación de los materiales, fuentes extremadamente puros de celdas separadas que se depositan sobre un sustrato monоcristalino calentado en las condiciones similares a las del vacío del espacio ultraterrestre.

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    Gracias al vacío superalto y la aproximada velocidad de crecimiento de una capa atómica por segundo, la MBE hace posible realizar un control preciso de la composición química y garantizar la formación de límites atómicos lisos entre las capas de heteroestructuras.

    "La epitaxia permite controlar libremente la composición de las capas y combinar materiales. Esta técnica aproxima la ciencia y el arte, porque se pueden crear de varios elementos químicos una cantidad infinita de las más diversas heteroestructuras", destaca Yuri Sibirmovski.

    Heteroestructuras en equipos electrónicos

    Las heteroestructuras son muy importantes para desarrollar transistores de alta movilidad de electrones (HEMT por sus siglas en inglés) que se usan en equipos electrónicos de frecuencias superaltas: sistemas de comunicación por satélite, radares o dispositivos móviles.

    La ventaja principal de la HEMT es la velocidad de movimiento de los electrones, que garantiza una alta frecuencia de conmutación de transistores y hace posible superar el orden de varias decenas de GHz. Esto se consigue agregando al sistema materiales con alta movilidad de electrones (GaAs, InAs) y con la ubicación del aditivo fuera de la capa conductora.

    Las dimensiones de las celdas cristalinas InAs y GaAs no coinciden. El crecimiento de un InAs puro en sustratos GaAs produce grietas y no permite obtener un equipo que funcione.  Los sustratos de InAs no son lo suficientemente firmes.

    Así las cosas, una tarea importante para la física de heteroestructuras es desarrollar capas separadoras que harán posible el crecimiento de una capa sin defectos InyGa1-yAs con el mayor contenido posible de InAs. Se trata de las llamadas estructuras seudomorfas HEMT o PHEMT que se usan en la mayoría de amplificadores de frecuencias superaltas profesionales.

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    Una posible solución sería cambiar paulatinamente el contenido de InAs en el proceso de crecimiento desde el sustrato hasta la capa conductora. Se trata de las llamadas MHEMT-estructuras.

    Estudiándolas, los expertos de INTEL de la MEPhI junto con sus colegas del Instituto de Equipos Electrónicos de Frecuencias Superaltas y Semiconductores adscrito a la Academia de Ciencias de Rusia, descubrieron que el mejor efecto se observa cuando no se produce un cambio paulatino sino escalonado de la composición con combinaciones de supermallas, es decir, capas estrechas de varios nanómetros de espesor.

    El diseño cuántico es una solución

    Para resolver esta y otras tareas el grupo de investigadores del Laboratorio de Epitaxia por haces moleculares y Nanolitografía de INTEL de la MEPhI encabezado por el miembro de la MEPhI Iván Vasilevski propuso aplicar a las capas funcionales compuestas los principios de diseño cuántico de las heteroestructuras.

    "Las estrechas capas conductoras son pozos cuánticos para electrones. Los electrones se absorben en estas capas y sus características cambian conforme a las leyes de la mecánica cuántica. Si un cambio de la composición química de un pozo cuántico homogéneo no mejora las características del elemento, la única solución es hacer más complicada la construcción agregando nanocapas o supermallas de composición heterogénea", explica Iván Vasilevski.

    Según el científico, se puede incrementar de manera eficaz la movilidad de los electrones sin reducir su alta concentración agregando un nanoelemento InAs dentro del pozo cuántico o AlAs fuera del pozo.

    "Durante el funcionamiento del laboratorio, desarrollamos e hicimos crecer centenas de heteroestructuras HEMT, PHEMT y MHEMT a partir de InGaAs y estudiamos bien sus características, lo que suscitó interés de los científicos de todo el mundo y la MEPhI se convirtió en uno de los líderes en el número de publicaciones en este ámbito. Los resultados obtenidos se aplicaron con éxito en el desarrollo de transistores de frecuencias superaltas que producen poco ruido y otros dispositivos", señala Iván Vasilevski.

    Según el experto, a pesar de la gran experiencia del uso industrial, no se ha alcanzado todavía el límite de las capacidades de este material. En el proceso de desarrollo de los equipos electrónicos del futuro con este material pueden concurrir elementos como el grafeno, el GaN, el SiGe o el SiC con el uso de los cuales se podrán conseguir mayores potencias y operar a temperaturas más altas.

    Mientras, para crear dispositivos de alta calidad que no sean caros a partir de estos materiales es necesario llevar a cabo investigaciones a gran escala. Los recientes Premios Nobel de Física se entregaron por los estudios del grafeno (2010) y el nitruro de Galio (2014). 

    La MEPhI presta atención a este tema también. En 2018, los especialistas jóvenes de INTEL obtuvieron un premio del Gobierno de Moscú por diseñar un amplificador de frecuencias superaltas de GaN con un sistema de evacuación de calor a partir de grafeno.

    El diseño cuántico de heteroestructuras a partir de arseniuros y fosfuros puede representar una buena alternativa al traspaso a nuevos materiales: no exige sustratos caros, nuevos métodos de crecimiento de cristales ni tecnologías más complicadas.

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