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Ciencia

Una valiosa impureza

El comportamiento de los átomos intrusos puede ayudar a hallar nuevas aplicaciones para los materiales semiconductores

IF / UFBATras realizar cálculos que demandaron ocho meses de trabajo para madurar, aquello que parecía sencillamente una impureza en el interior de ciertos grupos de átomos se reveló de pronto y claramente como un fenómeno óptico que podrá generar chips (circuitos integrados) de computadoras menores y más rápidas que las actuales, capaces de procesar la información bajo la forma de corriente eléctrica o de luz. Los descubrimientos llevados a cabo por el equipo del físico Antonio Ferreira da Silva, investigador del Instituto de Física de la Universidad Federal de Bahía (UFBA), representan también una posibilidad de sobrevida para el silicio, el material actualmente utilizado para la fabricación de chips y objeto de intensas investigaciones, debido a que su capacidad de compactación se encuentra cerca de su límite físico.

Mediante modelos matemáticos, Silva demostró que el comportamiento que parecía un simple ruido aleatorio – las referidas impurezas – en chips experimentales elaborados con nitruro de galio (GaN) y arsenuro de galio (GaAs), era en realidad un nivel de energía – o, como dirían los físicos, un patrón característico de frecuencia de ondas – emitido por un aglomerado de tres átomos de silicio. Dichos átomos, juntos o separados, forman las impurezas, adicionadas desde hace décadas a los semiconductores a fin de incrementar la capacidad de transmisión de la luz o de la corriente eléctrica de los citados materiales. Los resultados, publicados en octubre en Applied Physics Letters, sugieren que este comportamiento de los aglomerados de silicio – mucho más organizado de lo que se imaginaba – podría utilizarse para procesar informaciones en niveles de energía muy específicos, ampliando así las propiedades de los semiconductores.

Silva y los alumnos Jailton Souza de Almeida y Adriano Jesus da Silva, trabajaron con los equipos de Clas Persson y Rajeev Ahuja, de la Universidad de Uppsala, y de Patrick Norman, de la Universidad de Linköping, ambas de Suecia, analizando los experimentos realizados en el Naval Research Laboratory de Estados Unidos. En esta última institución, los investigadores detectaron el año pasado energías de alrededor de 19 milielectrones-voltios en los cristales de nitruro de galio – y en principio las consideraron como meros ruidos, algo indeseable y sin importancia.

Pero sobre final del año pasado, cuando Silva evaluó nuevamente los resultados, tuvo la impresión de que no se trataba simplemente de ruidos. Y experimentos posteriores, hechos en el propio Naval Research Laboratory, lo comprobaron: lo que habían observado – y despreciado inicialmente – era un nivel energético compatible con el que aparecería en un aglomerado de tres átomos de silicio. Era, por lo tanto, un cluster (aglomerado, en ingles), que actúa en una franja del espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo, que podría ser manipulada para leer, almacenar y transmitir información a través de la luz y de la corriente eléctrica.

Un material prometedor
El nitruro de galio y el arsenuro de galio, que constituyen los chips en los cuales esos fenómenos fueron investigados, son materiales sintetizados en laboratorio, a diferencia del silicio, un mineral hallado en la naturaleza. Estos materiales (fundamentalmente el arsenuro de galio), investigados principalmente en Estados Unidos y en Japón – en Brasil hay grupos también en la Universidad de São Paulo (USP) y en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) -, integran en la actualidad loschips de aplicaciones especiales, fabricados por empresas tales como la estadounidense Lucent Technologies.

No tienen todavía un precio tan accesible como el del silicio, pero son igualmente semiconductores: como son una especie de comodines del mundo fisicoquímico, presentan un comportamiento mixto cuando se los estimula mediante una corriente eléctrica o con luz. Pueden tanto conducir la corriente eléctrica como emitir luminosidad.

Esta propiedad hace de los semiconductores los materiales ideales para la creación de dispositivos óptico-electrónicos, como los LEDs (diodos de emisión de luz), los detectores y los láseres, que se valen tanto de los electrones, conductores de la corriente eléctrica, como de los fotones, los partículas luminosas, para procesar información. Asimismo, los semiconductores pueden ser operados a temperatura ambiente y emiten luz visible – la región del espectro electromagnético situada entre el rojo y el violeta, captada naturalmente por los ojos humanos. “Por eso”, afirma Silva, “los semiconductores pueden usarse para crear prácticamente cualquier tipo de dispositivo óptico-electrónico”.

Pero los semiconductores también tienen sus deficiencias. La principal de éstas es que, para transmitir información, requieran de una energía de activación relativamente alta (en torno a 3 electrones-voltios), tres veces mayor que la del silicio cristalino (puro). En este punto entran los átomos de silicio que son utilizados como impurezas, de manera tal de reducir la energía necesaria para iniciar la conducción de la luz o la corriente eléctrica. La estructura de los cristales de nitruro o arsenuro de galio, generada artificialmente en laboratorio, es sumamente regular – capa sobre capa de hexágonos o cubos, de alrededor de 10²² (el número 1 seguido de 22 ceros) átomos por centímetro cúbico.

La cantidad de átomos de silicio que entran como impurezas es mucho menor que la del cristal (nitruro de galio o arsenuro de galio) propiamente dicho, pero aun así es astronómica: entre 1015 y 1018 por centímetro cúbico. “Las impurezas ayudan a procesar la información de manera rápida y con baja energía, del orden de los milielectrones-voltios”, afirma Silva. Como el silicio cristalino es un mal emisor de luz, la intención es lograr ahora una combinación que se valga de lo mejor de ambos mundos: respuesta rápida cuando sea necesaria y las propiedades ópticas de los compuestos de nitruro de galio y arsenuro de galio.

El problema es que el silicio puede no aparecer solamente como átomos aislados en medio de la red cristalina, sino también como clusters. Según Silva, es difícil saber cómo influyen estos átomos juntos – que llegan a comportarse como una molécula – sobre las propiedades ópticas y de conducción eléctrica de toda la red cristalina. El trabajo de Silva con los suecos deja más clara la distinción entre el material puro y el impuro, al establecer la diferencia de absorción o emisión de energía de cada tipo de material y, al mismo tiempo, mostrar cómo se juntan los átomos en aglomerados.

Al saber cómo funcionan los clusters, aumenta el control sobre el proceso de emisión de energía: dependiendo de la finalidad ideada para el chip, el fabricante puede modular las propiedades del dispositivo que será creado con el material semiconductor. “Podrían crearse chips de silicio como los que se usan actualmente, pero con áreas de nitruro de galio, arsenuro de galio e incluso de otra forma de silicio, el silicio poroso, que tiene una superficie rugosa – en los cuales la información luminosa también pueda ser procesada”, sugiere el físico.

Según Silva, el sistema mixto – un dispositivo óptico y electrónico – sería en principio sumamente práctico para minimizar el problema de la miniaturización de los chips de silicio: la capacidad de procesamiento de información crecería no ya mediante la reducción de los componentes de los chips, tal como es la tendencia actual, sino con la posibilidad de que los materiales semiconductores procesen luz y corriente eléctrica simultáneamente.

Silva no investiga únicamente compuestos de galio. Su trabajo con Iuri Pepe, también de la UFBA, resultó en artículos que han sido aceptados en Physical Review B y Journal of Applied Physics para su publicación. Éstos abordan las posibilidades de control de las propiedades de otros materiales de importancia tecnológica, como los carburos de silicio o los ioduros de bismuto y antimonio, utilizados en los detectores de rayos X o infrarrojos, por ejemplo.

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