Un grupo de investigadores del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC) anunció en São Carlos (interior de São Paulo) un nuevo proceso y una nueva formulación de chips capaces de expandir hasta 250 veces la memoria de las computadoras. Y la novedad es importante, pues podrá reportarles grandes beneficios a los consumidores y a las industrias de informática y electroelectrónica brasileñas. Y también, quien sabe, a la industria internacional.
En Brasil la producción de materiales semiconductores, los componentes esenciales para el funcionamiento de todo tipo de equipamiento electrónico, es uno de los cuatro puntos incluidos en las directrices de la política industrial del país anunciadas por el gobierno nacional en noviembre pasado y que serán confirmadas ahora en marzo. Estos productos se fabrican a base de silicio y forman los famosos chips y los restantes dispositivos que a su vez componen los circuitos integrados y realizan el procesamiento y el almacenaje de las informaciones de cualquier microprocesador, ya sea que éste se encuentre en el cajero automático del banco, en los teléfonos celulares, en el sistema de inyección de combustible de un coche, en el televisor o en la computadora.
Los semiconductores, por lo tanto, se encuentran en la línea de frente si de lo que se trata es de recibir, junto a los software, los fármacos y los bienes de capital, los incentivos gubernamentales y empresariales que darán nuevo impulso al desarrollo de país. Hasta ahora la discusión sobre la producción de estos componentes en Brasil se ha apoyado fundamentalmente en la importación de tecnología con el montaje en fábricas instaladas acá. Pero con estas perspectivas, la novedad anunciada en São Carlos puede hacer que arrecie el debate sobre la producción de semiconductores en el país.
Para llegar a estos nuevos materiales, que pueden servir para constituir una nueva generación de memoria computacional, los investigadores del CMDMC, uno de los diez Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids) financiados por la FAPESP, desarrollaron un proceso sencillo y barato de deposición química mediante el empleo de un horno de microondas casero. Dicho proceso ha rendido un registro de patente. También construyeron un electrodo (un elemento conductor de carga eléctrica) que podrá reemplazar a los de platino en los circuitos integrados. Todas estos logros son objeto de interés por parte de una empresa multinacional cuyo nombre los investigadores involucrados en la negociación prefieren mantener en el anonimato.
Pequeños aislantes
Para comprender los avances implicados en las novedades presentadas por los investigadores es necesario ingresar al mundo de los semiconductores y sus componentes. La primera gran muestra de que el nuevo material en forma de películas, denominadas de films finos, a base de titanato de bario y plomo (PbBaTiO3), posee interesantes características como para integrar un dispositivo de memoria computacional reside en su alta constante dieléctrica. Cuanto mayor es dicha constante, mayor es la cantidad de electrones que pueden archivarse en la memoria.
Este parámetro mide cuánto el material permite el desplazamiento de la carga eléctrica a través de su superficie hacia otras capas internas de los componentes. A decir verdad, estos materiales son aislantes, y por tanto son incapaces o ineficaces para conducir una corriente eléctrica, a diferencia de los conductores, en los que la carga fluye normalmente. En tanto, los semiconductores, materiales formados por elementos químicos tales como el silicio, el germanio o compuestos como el arsenuro de galio, poseen una conductividad eléctrica intermedia: almacenan menos electrones que un metal, pero promueven un control más sencillo y ordenado de dichas partículas.
En un material dieléctrico, la carga se desplaza hacia otro nivel dentro de los dispositivos electrónicos, conocidos genéricamente como chips (un sándwich formado por un material semiconductor y uno conductor intercalados por capas de películas dieléctricas) bajo la forma de descargas, también denominadas inducción, cuando su rigidez dieléctrica es superada.
La constante dieléctrica del film de titanato de bario-plomo producido en São Carlos es igual a 1.800, más de 250 veces superior a la de los capacitores (un dispositivo que almacena carga eléctrica en un espacio muy reducido) utilizados en los circuitos integrados. Las películas actuales, elaboradas a base de óxido de silicio y nitruro de silicio, tienen una constante dieléctrica igual a siete. En otros productos resultantes de trabajos de investigadores del CMDMC en conjunto con estadounidenses y japoneses, las mayores constantes dieléctricas para estos materiales alcanzaron la marca de 700 con métodos sofisticados y costosos.
“Los chips actuales con constante siete son capaces de procesar memoria de 1 gigabyte (GB), por ejemplo, mientras que con el material que nosotros desarrollamos podrán llegar a los 250 GB”, anuncia el profesor Elson Longo, coordinador del Laboratorio Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica (Liec), del Departamento de Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFScar) y del CMDMC, llamado Cepid Cerámica, integrado también por el Instituto de Química (IQ) de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara, el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares y el Instituto de Química de São Carlos de la Universidad de São Paulo.
“Actualmente, en las pastillas de los semiconductores de un centímetro cuadrado (cm²) de área es posible archivar 1 megabyte (MB) de información. Con la nueva memoria será posible archivar en ese mismo espacio 250 MB”, dice Longo. “La alta densidad dieléctrica, al margen de representar un avance en el almacenamiento de memoria de los capacitores, es necesaria para mantener la concentración y el almacenamiento de la carga eléctrica dentro de los estándares exigidos para las futuras generaciones de memoria de acceso aleatorio dinámico, denominadas Dram (del inglés Dynamic Random Acess Memory ), que hacen el almacenamiento de datos y de información del software utilizado al momento del uso de la computadora, redundando también en un menor consumo de energía eléctrica.”
Así, la investigación que resultó en los filmes finos de titanato de bario-plomo forma parte de una carrera mundial que ya lleva más de 20 años de trayectoria en pos de superar uno de los problemas de la microelectrónica: el tamaño de la célula de memoria. Esta pieza está siendo reducida año a año con el objetivo de aumentar el número de dispositivos y generar una mayor capacidad de archivamiento y de procesamiento de datos en las computadoras. Es un camino que se desprende de la solicitación evolutiva de los software, cada vez más variados, diseminados y sofisticados. La disminución del tamaño de los dispositivos de memoria también facilita la miniaturización y la creación de nuevos equipos electrónicos o el aumento de las funciones de estos artefactos.
Desde los años 1970 ha sido permanente la demanda de multiplicación de memoria y de espacio en el interior de los dispositivos semiconductores. La más famosa predicción sobre este progreso de la informática la realizó el ingeniero electrónico Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, la principal fábrica de semiconductores instalada en Estados Unidos. Moore sostuvo que el crecimiento de la industria de computadoras provocaría un incremento de la capacidad de procesamiento de los chips, que se duplicaría cada dos años. Este vaticinio, delineado en un artículo escrito por Moore en 1965 en la revista Eletronics , se hizo conocido posteriormente como Ley de Moore. Durante todo este tiempo, la industria electroelectrónica ha seguido a al pie de la letra esta evolución, e incluso la ha superado. El tamaño de las memorias RAM, por ejemplo, se ha cuadruplicado cada tres años.
Al mismo tiempo, se hace cada vez más difícil mantener la densidad de electrones en los capacitores utilizando los actuales derivados del silicio. Los capacitores, uno de los elementos más importantes de este tipo de dispositivos, se han reducido de tamaño cada año. A comienzos de los años 1990, el área de estos componentes era de 3,6 mm². Actualmente es de 0,1 mm². Y se estima que dicha superficie se reducirá a 0,04 mm² entre 2007 y 2010. También se reduce el tamaño y se incrementa la cantidad de transistores (ampliadores de señales eléctricas) en los equipos electrónicos. En los procesadores 8086, que salieron al mercado en 1978, el número de transistores era de 29 mil unidades. Hoy en día, con el Pentium 4, dicha cantidad asciende a 42 millones de transistores.
El shock de la temperatura
Pero los diminutos tamaños de estos componentes generan otro problema: el supercalentamiento de las capas de óxido de silicio. La industria productora de esos dispositivos se ha abocado desde hace algunos años a una búsqueda incesante para que en el futuro se evite en los capacitores diminutos la pérdida de corriente eléctrica de los circuitos integrados, lo que va en detrimento de la confiabilidad de las computadoras y demás equipos electrónicos.
Pero las altas temperaturas no son un problema para las películas desarrollados por el equipo coordinado por el profesor Elson Longo. “Los sistemas son confiables porque el titanato de bario y plomo no se degrada a las temperaturas que normalmente perjudican a los dispositivos actuales. Otra ventaja del nuevo film es su condición ferroeléctrica, que corre con ventajas con relación a los ferromagnéticos utilizados actualmente, pues poseen bajo voltaje de operación, más allá de su menor tamaño, su bajo peso y su alta velocidad de lectura y escritura, un proceso que almacena, borra e imprime las características señales digitales 0 y 1 en las memorias de una computadora.
“Grandes grupos industriales de Estados Unidos, Europa y Asia están invirtiendo millones de dólares en la obtención de laminas delgadas ferroeléctricas porque son compatibles y de fácil integración con la actual tecnología de producción de circuitos integrados que usan chips de silicio y de arsenuro de galio”, dice Longo.Pero la gran ventaja industrial de la nueva lámina es su proceso de fabricación. Con base en una solución orgánica de citrato extraída del ácido cítrico (presente en frutas como las naranjas y los limones) se prepara un compuesto sólido y de estructura química polimérica (similar a los plásticos) que lleva bario, plomo y titanio como ingredientes. Este compuesto es llevado a un horno sencillo a una temperatura de hasta 300º C para el retiro del material orgánico (carbono principalmente).
“Luego utilizamos un horno de microondas doméstico para orientar la cristalización [que esa esencial para obtener una buena constante dieléctrica] y producir la lámina o película de titanato de bario-plomo”, explica Longo. Es la primera vez que se obtiene ese compuesto mediante el uso de esta técnica. “Quizás la Nasa (la agencia espacial estadounidense) y los militares de Estados Unidos estén usando este titanato en chips que necesitan de un estadio de estabilidad avanzado. Pero no se fabrica industrialmente; tal vez se lo produzca en laboratorio mediante métodos caros y complejos, y sin la constante dieléctrica que nosotros obtuvimos”.
A diferencia de las salas impecablemente aseadas y sin ningún tipo de material contaminante en suspensión que forman parte de las plantas fabriles de alta tecnología, todo a un costo de muchos millones de dólares, la producción de las películas de titanato de bario-plomo podrá concretarse en cualquier ambiente, sin ningún cuidado especial. “Con los métodos utilizados actualmente, estos materiales están listos en alrededor de 40 horas. Pero con el sistema que nosotros desarrollamos son dos horas de quema en el horno común y otros diez minutos en el microondas para obtener el titanato”, compara Longo.
La FAPESP financió la patente de este sistema, depositada en julio de 2003: antes por lo tanto de la publicación del artículo científico en la revistaApplied Physics Letters , del Instituto Americano de Física, el día 12 de enero de este año. Dicho artículo fue firmado por el profesor Longo y los investigadores Fenelon Martinho Lima Pontes, Edson Leite, Geovane Pimenta Mambrini y Márcia Tsuyama Escote, de la UFScar, y el profesor José Arana Varela, de la Unesp.
El mismo método fue empleado por el grupo de investigadores para producir otra innovación: un electrodo de niquelato de lantanio (LaNiO3). Este material reemplaza a la capa de platino en el sándwich que forma el chip. Del mismo modo que con el titanato de bario, el niquelato fue elaborado con base en un compuesto en este caso formado por níquel y lantanio, que mantiene las propiedades estructurales del material antes de ir al horno, al diferencia de las películas actuales, que pasan por varios procesos de deposición química o física.
Esto significa que la matriz, denominada precursor polimérico, posee la memoria química que tiene la estructura necesaria para convertirse en un material semiconductor o conductor. “Elaboramos el material en forma de estructura polimérica y después, cuando lo quemamos, queda solamente el esqueleto, que es la placa conductora o dieléctrica”, dice Longo. “Otro punto importante es que estos materiales son compatibles entre sí en su estructura química y molecular, lo que facilita la integración de estas películas en un mismo dispositivo, que normalmente también tienen oro como conductor, otro elemento compatible químicamente.”
Miles de millones en todo el mundo
Pero las novedades presentadas por el equipo del profesor Longo no reducirán de inmediato la dependencia brasileña de la importación de semiconductores, que en 2003 correspondió a un valor de 1.700 millones de dólares de acuerdo con la Asociación Brasileña de Industrias Eléctricas y Electrónicas (Abinee). De dicho total, 1.200 millones de dólares se erogaron con compras en países del Sudeste Asiático como Taiwán, Singapur y Hong Kong. “Brasil no está en condiciones por sí solo de erigir fábricas de semiconductores, que necesitan de algunos miles millones de dólares para su instalación”, dice Longo. “Pero con nuestro trabajo demostramos que Brasil tiene capacidad para desarrollar innovaciones, al margen de formar personal con excelente calificación para este sector”.
La producción de las películas de titanato de bario-plomo y del electrodo de niquelato de lantanio mediante el empleo de la técnica desarrollada por el Cepid Cerámica podrá hacerse efectiva tanto en Brasil como en el exterior, dependiendo del corolario de la negociación, si ésta resulta positiva.Éste es un mercado multimillonario que estudia muy bien los nuevos pasos que deben darse. Y no es para menos. El año pasado, las ventas mundiales del sector de semiconductores llegaron a 166,4 mil millones de dólares, un 18,3% mayores que las de 2002, de acuerdo con la Asociación de Industrias de Semiconductores (SIA) de Estados Unidos. La previsión de crecimiento de las ventas formulada por esta entidad para este año es del 19%. Un mercado atrayente en una actividad cada vez más fundamental.
Los proyectos
Películas Delgadas para Memorias de Computadoras
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids)
Coordinador
Elson Longo ? Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos
Inversión
R$ 1.200.000,00 anual para todo el Cepid
Aparato y Método para la Cristalización de Películas Finas Utilizando un Horno de Microondas Doméstico
Modalidad
Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual
Coordinador
Elson Longo – Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos
Inversión
R$ 6.000,00
