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Semiconductores

Memorias del futuro

Centro de cerámicos desarrollará la materia prima para la nueva fábrica de chips en la ciudad paulista de São Carlos

Discos de silicio, el semiconductor que constituye la base del chip de memoria

Eduardo CesarDiscos de silicio, el semiconductor que constituye la base del chip de memoriaEduardo Cesar

Una memoria electrónica que guarda la información incluso desconectada de una fuente de energía, utilizada en chips de tarjetas inteligentes (smart cards) en boletos de transporte público, celulares, televisión digital y transacciones bancarias, se elaborará en una nueva fábrica que se erigirá en 2009 en la  ciudad de São Carlos, interior paulista. La presencia en la región del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos, uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) de la FAPESP, que cuenta con la participación de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara y la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), fue decisiva en la elección de la ciudad como sede de la fábrica de semiconductores ferroeléctricos. Socio en la empresa, de dicho centro de materiales cerámicos han salido 25 doctores y 17 másteres en materiales ferroeléctricos desde 2000, cuando ese Cepid fue creado. Muchos de esos profesionales o estudiantes de posgrado podrán trabajar en la fábrica brasileña.

Inicialmente, la memoria de acceso aleatoria ferroeléctrica, el FeRAM, también conocida como memoria no volátil, será producida con tecnología desarrollada por la empresa estadounidense Symetrix, creada hace 18 años en Estados Unidos por el brasileño Carlos Paz de Araújo, docente de ingeniería eléctrica de la Universidad de Colorado. El centro también contará con la participación activa en el desarrollo de nuevas memorias ferroeléctricas y de nuevos materiales. “Vamos a orientar la investigación en nuevas memorias ferroeléctricas porque sabemos que puede aplicársela, pero no  vamos a dejar de lado la investigación básica”, dice el físico José Arana Varela, docente del Instituto de Química de Araraquara y prorrector de Investigación de la Unesp, además de ser el responsable de la división de innovación del Cepid.

Una delgada película ferroeléctrica — constituida de capas muy finas de material semiconductor — desarrollada por el centro de cerámicos mediante un nuevo método, relativamente sencillo y de bajo costo, es una firme candidata para su futura utilización en los chips de memoria que se producirán en la  fábrica de São Carlos. “Logramos obtener nuevos materiales con capacidad de almacenamiento hasta 250 veces mayor que las memorias convencionales”, dice el químico Elson Longo, director general del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos, conocido por la sigla CMDMC. Estos nuevos materiales se elaboran a partir de una solución orgánica obtenida de ácidos cítricos, presentes en frutas tales como naranja y limón (lea en Pesquisa FAPESP nº 52), mezclada con bario, plomo y titanio. “El compuesto se lleva a un horno sencillo a una temperatura de hasta 300º Celsius para extraer algunos elementos orgánicos como el carbono”, explica Varela. Luego se efectúa la cristalización del material en un aparato de microondas doméstico para la obtención de una película delgada de titanato de bario y plomo. “Inicialmente vamos a emplear el proceso de la empresa estadounidense. En el futuro podremos trabajar con otros materiales además de los que hemos desarrollado para fabricar películas (capas muy delgadas de material semiconductor) menos espesas”, dice Varela. Cuanto más fino es el film, mayor es la integración que puede hacerse en el sistema semiconductor y menor el costo final. Entre las ventajas del uso de películas delgadas ferroeléctricas en la preparación de dispositivos electrónicos, en comparación con las cerámicas magnéticas utilizadas para memoria, se encuentran su menor tamaño, su bajo peso, la alta velocidad de escritura y lectura y el bajo voltaje de operación.

Los materiales ferroeléctricos permiten la construcción de memorias electrónicas que no  necesitan ningún tipo de energía para funcionar. “La capacidad de almacenar informaciones está ligada al ordenamiento de sus átomos”, dice Longo. Cada célula de memoria está compuesta de un único transistor de acceso conectado a un capacitor ferroeléctrico, un dispositivo que almacena energía en un campo eléctrico. El transistor actúa como un interruptor, lo que permite que el circuito de control lea o escriba los números 0 y 1, del sistema binario, que se almacenarán en el capacitor. El principio empleado es el mismo de los semiconductores magnéticos que van en las tarjetas de crédito comunes y en los boletos de transporte. “La diferencia radica en que las tarjetas magnéticas deben acercarse a un lector para pasar la información, mientras que las tarjetas ferroeléctricas pueden leerse a una distancia de hasta seis metros”, explica Longo. La lectura se hace por radiofrecuencia. El chip, de alrededor de dos milímetros cuadrados de tamaño y espesor, no es visible. Embutido en las tarjetas o en celulares, por ejemplo, posee un sistema de protección contra hackers.

En Japón, donde la tecnología desarrollada por Araújo y su equipo fue licenciada para la empresa Panasonic, se la utiliza en tarjetas del metro, de trenes y en los registros de conducir. También es posible pagar las compras usando el celular, sin necesidad de recurrir a las tarjetas de crédito o débito. En Brasil, desde que se hizo el anuncio de la instalación de la fábrica, varias empresas se han interesado en la tecnología. Pretenden sustituir las tarjetas magnéticas por las ferroeléctricas en diversas aplicaciones. “Un gran banco brasileño, que no desea importar la tecnología por cuestiones de seguridad, nos consultó para producir tarjetas”, dice Varela, que no revela el nombre de la institución financiera porque las negociaciones aún están en marcha. Para el sector automotor, por ejemplo, podrá desarrollarse un sistema anticolisión, una tecnología patentada por Symetrix. “Con esa memoria es posible instalar un sistema de seguridad en el coche con sensores en la franja del infrarrojo, que funcionarán como cámaras de visión nocturna para detectar la presencia de personas, animales o coches parados, en una franja de 100 a 200 metros adelante del vehículo”, explica.

El chip de memoria ferroeléctrica puede leerse a una distancia de hasta seis metros

Eduardo CesarEl chip de memoria ferroeléctrica puede leerse a una distancia de hasta seis metrosEduardo Cesar

Control integrado
En los supermercados, la utilización de la memoria ferroeléctrica en lugar de los códigos de barras permitirá un control integrado de los productos. Informaciones tales como la fecha de validez del producto, el nombre del fabricante, el precio, el stock y la cantidad comprada estarán dentro de un dispositivo del tamaño de una punta de alfiler. “No es un mero código de barras, sino una memoria inteligente”, dice Longo. “Cada etiqueta con un chip embutido costará menos de 0,01 real”, subraya Varela. El consumidor que salga de compras sabrá anticipadamente cuánto gastó al pasar a una distancia de tres o cuatro metros de un tablero. De acordar en finalizar la compra, antes de salir por la puerta se le hará el débito o el crédito en la tarjeta que carga en el bolsillo. “Mientras que una tarjeta magnética (igual a las de crédito o débito) dura entre cuatro o cinco años, el ferroelétrico puede utilizarse hasta un billón de veces en las funciones escribir y leer de forma magnética (la forma en que las informaciones se graban en la memoria ferroeléctrica), lo que brinda un promedio de vida útil de dos mil años”, explica Varela. Una de las razones para ese menor tiempo de vida útil de las tarjetas magnéticas es la necesidad del contacto directo para la lectura.

Desde 1992 investigadores ligados al grupo que dio origen al CMDMC empezaron a estudiar los materiales ferroeléctricos. El conocimiento originado en esos estudios resultó en la publicación de 112 artículos científicos en revistas nacionales e internacionales. “Comenzamos las investigaciones en la  misma época que Carlos Araújo, en la Universidad de Colorado”, dice Longo. “Trabajamos básicamente con los mismos compuestos desde entonces, pero él patentó el conocimiento generado por su equipo y montó una empresa”. Araújo, docente de ingeniería eléctrica, creó Symetrix con recursos del Small Business Innovation Research (SBIR), un programa estadounidense de apoyo a las pequeñas empresas innovadoras que inspiró la creación del Programa de Investigación Innovadora en la Pequeña y Microempresa (Pipe) de la FAPESP. Hoy en día, la empresa tiene más de 200 patentes internacionales.

La sociedad con los investigadores brasileños empezó durante un congreso sobre materiales semiconductores ferroeléctricos en Portugal, a finales de 2006. En dicha  ocasión, Araújo le dijo a Varela que le gustaría visitar Brasil para hablar de su experiencia en el área. Poco tiempo después, los investigadores del centro de cerámicos organizaron un simposio en Natal, Río Grande do Norte, ciudad donde Araújo nació y vivió hasta los 17 años, antes de mudarse a Estados Unidos a finales de la década de 1960, después de participar de un programa de intercambio estudiantil.  “Fue a partir del encuentro en Portugal que surgió la idea de montar una fábrica de semiconductores ferroeléctricos en Brasil”, comenta Longo. Inicialmente, además de São Paulo, estaban en la pugna los estados de Pernambuco y Río de Janeiro. La elección de São Carlos se dio en razón del conocimiento obtenido por el grupo de Longo y Varela durante estos años de investigación en el área. Symetrix, que posee patentes licenciadas en Japón, Corea del Sur, Europa y Estados Unidos, firmó en Brasil una asociación comercial con el grupo brasileño Emcalso-Damha, un conglomerado de empresas de construcción pesada y emprendimientos inmobiliarios con más de 40 años de actuación en diversos segmentos. “El consorcio internacional viabiliza no solamente la producción para el mercado interno, sino también la exportación”, dice Longo. La empresa de Araújo tiene tres divisiones: Symetrix Devices, responsable del desarrollo de los sistemas y las memorias,  Symetrix Systems, que se encarga de las tarjetas y etiquetas inteligentes, y Symetrix Development, responsable del área de investigación, desarrollo e innovación y de las licencias de tecnologías de la empresa.

A través de rutas químicas, se crean capas de delgadas películas con diversas propiedades

CMDMC A través de rutas químicas, se crean capas de delgadas películas con diversas propiedadesCMDMC

Proyecto alemán
Brasil importa anualmente alrededor de 100 millones de dólares en chips, pero ninguno de ellos tiene memoria ferroeléctrica. La participación brasileña representa alrededor del 2% del mercado mundial, del orden de los 52 mil millones de dólares. Los planes del consorcio contemplan atender en la primera fase toda la demanda del mercado interno. La tecnología de memoria de Symetrix compite con otros tipos de memoria no volátiles como la Flash, empleada principalmente en tarjetas de memoria para cámaras fotográficas, pen drives, aparatos de MP3 y celulares. La inversión inicial para la instalación de la fábrica, que empezará a erigirse en 2009 y estará lista en 2011, es de 250 millones de dólares. Actualmente, los socios están estructurando el plan de negocios. “Como ya está definido el tamaño de la fábrica, se contrató a una empresa alemana para que se hiciera cargo del proyecto”, dice Varela. La fabricación de los chips con memoria ferroeléctrica requiere un ambiente ultralimpio y de profesionales capaces de hacer la deposición de películas delgadas. “Nosotros contamos con personal calificado que sabe hacer la deposición química y el tratamiento térmico necesario para la construcción de los chips”, dice Varela.

Las películas delgadas pueden hacerse tanto por deposición física como química. La tecnología patentada por Symetrix, licenciada para Japón y que se empleará en la  producción en São Carlos, utiliza una ruta química, que es más barata porque puede usársela en grandes volúmenes de material.  “La solución química es depositada gota por gota sobre discos de silicio, un semiconductor que es la base del chip de memoria”, explica Varela. “El tamaño del film depende de la viscosidad de la gota”. Varios tipos de film con propiedades aislantes, ferroeléctricas y conductoras, responsables de la funcionalidad del dispositivo, son depositados sobre los discos de silicio, conocidos como wafers. “Para cada tipo de utilización se crea una arquitectura a la medida del material”, dice Longo. La comunicación entre los materiales que componen el chip de memoria es simultánea. “Cuanto mayor sea la conductividad del material, más rápida es la respuesta”, explica.

El proyecto
Memorias ferroeléctricas; Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid’s); Coordinador Elson Longo — Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos; Inversión R$ 1.200.000,00 por año para todo el CMDMC (FAPESP)

Artículos científicos
COSTA, C.E.F. et al. Influence of strontium concentration on the structural, morphological, and electrical properties of lead zirconate titanate thin films. Applied Physics A: Materials Science & Processing. v. 79, n. 3, p. 593-597 ago. 2004.
SIMÕES, A.Z. et al. Electromechanical properties of calcium bismuth titanate films: A potential candidate for lead-free thin-film piezoelectrics. Applied Physics Letters (published online). 17 feb. 2006.

 

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