La nanoelectrónica se refiere al uso de nanotecnología en componentes electrónicos . El término cubre un conjunto diverso de dispositivos y materiales, con la característica común de que son tan pequeños que las interacciones interatómicas y las propiedades de la mecánica cuántica deben estudiarse extensamente. Algunos de estos candidatos incluyen: electrónica híbrida molecular / semiconductora , nanotubos / nanocables unidimensionales (por ejemplo, nanocables de silicio o nanotubos de carbono ) o electrónica molecular avanzada .
Los dispositivos nanoelectrónicos tienen dimensiones críticas con un rango de tamaño entre 1 nm y 100 nm . [1] Las generaciones recientes de tecnología de silicio MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal, o transistor MOS) ya se encuentran dentro de este régimen, incluidos los nodos CMOS (MOS complementarios) de 22 nanómetros y los sucesivos FinFET de 14 nm , 10 nm y 7 nm ( transistor de efecto de campo de aleta) generaciones. La nanoelectrónica a veces se considera una tecnología disruptiva porque los candidatos actuales son significativamente diferentes de los transistores tradicionales. .
Conceptos fundamentales
En 1965, Gordon Moore observó que los transistores de silicio estaban experimentando un proceso continuo de escalado descendente, una observación que luego se codificó como ley de Moore . Desde su observación, los tamaños mínimos de las características de los transistores han disminuido de 10 micrómetros al rango de 10 nm a partir de 2019. Tenga en cuenta que el nodo de tecnología no representa directamente el tamaño mínimo de las características. El campo de la nanoelectrónica tiene como objetivo permitir la realización continua de esta ley mediante el uso de nuevos métodos y materiales para construir dispositivos electrónicos con tamaños de características en la nanoescala .
Problemas mecánicos
El volumen de un objeto disminuye como la tercera potencia de sus dimensiones lineales, pero el área de la superficie solo disminuye como su segunda potencia. Este principio algo sutil e inevitable tiene enormes ramificaciones. Por ejemplo, la potencia de un taladro (o cualquier otra máquina) es proporcional al volumen, mientras que la fricción de los cojinetes y engranajes del taladro es proporcional a su superficie. Para un taladro de tamaño normal, la potencia del dispositivo es suficiente para superar fácilmente cualquier fricción. Sin embargo, reducir su longitud en un factor de 1000, por ejemplo, disminuye su potencia en 1000 3 (un factor de mil millones) mientras que reduce la fricción en solo 1000 2 (un factor de solo un millón). Proporcionalmente tiene 1000 veces menos potencia por unidad de fricción que el taladro original. Si la relación original entre fricción y potencia era, digamos, 1%, eso implica que el taladro más pequeño tendrá 10 veces más fricción que potencia; el taladro es inútil.
Por esta razón, si bien los circuitos integrados electrónicos en superminiatura son completamente funcionales, la misma tecnología no se puede utilizar para fabricar dispositivos mecánicos que funcionen más allá de las escalas donde las fuerzas de fricción comienzan a exceder la potencia disponible. Entonces, aunque puede ver microfotografías de engranajes de silicio delicadamente grabados, estos dispositivos son actualmente poco más que curiosidades con aplicaciones limitadas en el mundo real, por ejemplo, en espejos y contraventanas en movimiento. [2] La tensión superficial aumenta de la misma manera, magnificando así la tendencia de los objetos muy pequeños a pegarse entre sí. Esto podría hacer que cualquier tipo de "microfábrica" no sea práctica: incluso si los brazos y manos robóticos pudieran reducirse, cualquier cosa que recojan tenderá a ser imposible de dejar. Dicho lo anterior, la evolución molecular ha dado como resultado cilios , flagelos , fibras musculares y motores rotativos en funcionamiento en ambientes acuosos, todo a nanoescala. Estas máquinas aprovechan el aumento de las fuerzas de fricción que se encuentran a micro o nanoescala. A diferencia de una paleta o una hélice que depende de las fuerzas de fricción normales (las fuerzas de fricción perpendiculares a la superficie) para lograr la propulsión, los cilios desarrollan movimiento a partir del arrastre exagerado o fuerzas laminares (fuerzas de fricción paralelas a la superficie) presentes en micro y nano dimensiones. Para construir "máquinas" significativas a nanoescala, es necesario considerar las fuerzas relevantes. Nos enfrentamos al desarrollo y diseño de máquinas intrínsecamente pertinentes más que a las simples reproducciones de macroscópicas.
Por lo tanto, todos los problemas de escala deben evaluarse a fondo al evaluar la nanotecnología para aplicaciones prácticas.
Enfoques
Nanofabricación
Por ejemplo, los transistores de electrones, que implican una operación de transistores basada en un solo electrón. Los sistemas nanoelectromecánicos también se incluyen en esta categoría. La nanofabricación se puede utilizar para construir matrices paralelas ultradensas de nanocables , como una alternativa a la síntesis de nanocables individualmente. [3] [4] De particular importancia en este campo, los nanocables de silicio se están estudiando cada vez más para diversas aplicaciones en nanoelectrónica, conversión y almacenamiento de energía. Dichos SiNW se pueden fabricar mediante oxidación térmica en grandes cantidades para producir nanocables con espesor controlable.
Electrónica de nanomateriales
Además de ser pequeño y permitir que se empaqueten más transistores en un solo chip, la estructura uniforme y simétrica de los nanocables y / o nanotubos permite una mayor movilidad de electrones (movimiento de electrones más rápido en el material), una constante dieléctrica más alta (frecuencia más rápida) y una característica simétrica de electrón / hueco . [5]
Además, las nanopartículas se pueden utilizar como puntos cuánticos .
Electrónica molecular
Los dispositivos de una sola molécula son otra posibilidad. Estos esquemas harían un uso intensivo del autoensamblaje molecular , diseñando los componentes del dispositivo para construir una estructura más grande o incluso un sistema completo por sí mismos. Esto puede ser muy útil para la computación reconfigurable e incluso puede reemplazar por completo la tecnología FPGA actual .
La electrónica molecular [6] es una nueva tecnología que aún está en pañales, pero que también trae esperanza para sistemas electrónicos verdaderamente a escala atómica en el futuro. Una de las aplicaciones más prometedoras de la electrónica molecular fue propuesta por el investigador de IBM Ari Aviram y el químico teórico Mark Ratner en sus artículos de 1974 y 1988 Molecules for Memory, Logic and Amplification (ver Rectificador unimolecular ). [7] [8]
Esta es una de las muchas formas posibles en las que la química orgánica podría sintetizar un diodo / transistor de nivel molecular. Se propuso un sistema modelo con una estructura de espirocarbono que da un diodo molecular de aproximadamente medio nanómetro a través del cual se podría conectar mediante cables moleculares de politiofeno . Los cálculos teóricos demostraron que el diseño es sólido en principio y todavía hay esperanzas de que dicho sistema pueda funcionar.
Otros enfoques
La nanoiónica estudia el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a nanoescala.
La nanofotónica estudia el comportamiento de la luz en la nanoescala y tiene como objetivo desarrollar dispositivos que aprovechen este comportamiento.
Historia
En 1960, el ingeniero egipcio Mohamed Atalla y el ingeniero coreano Dawon Kahng de Bell Labs fabricaron el primer MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) con un espesor de óxido de puerta de 100 nm , junto con una longitud de puerta de 20 µm . [9] En 1962, Atalla y Kahng fabricaron un transistor de unión semiconductor-metal a base de nanocapas que usaba películas delgadas de oro (Au) con un espesor de 10 nm . [10] En 1987, el ingeniero iraní Bijan Davari dirigió un equipo de investigación de IBM que demostró el primer MOSFET con un espesor de óxido de puerta de 10 nm , utilizando tecnología de puerta de tungsteno . [11]
Los MOSFET de compuerta múltiple permitieron escalar por debajo de 20 nm de longitud de compuerta, comenzando con el FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un MOSFET tridimensional, no plano y de doble puerta. [12] El FinFET se origina en el transistor DELTA desarrollado por Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto y Eiji Takeda del Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [13] [14] [15] [16] En 1997, DARPA otorgó un contrato con un grupo de investigación en UC Berkeley para desarrollar un transistor DELTA submicrónico profundo . [16] El grupo estaba formado por Hisamoto junto con TSMC 's Chenming Hu y otros investigadores internacionales, incluyendo Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor, Hideki Takeuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shibly Ahmed y Cyrus Tabery. El equipo fabricó con éxito dispositivos FinFET hasta un proceso de 17 nm en 1998, y luego 15 nm en 2001. En 2002, un equipo que incluía a Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor y Tabery fabricó un dispositivo FinFET de 10 nm . [12]
En 1999, un transistor CMOS (MOS complementario) desarrollado en el Laboratorio de Electrónica y Tecnología de la Información en Grenoble, Francia, probó los límites de los principios del transistor MOSFET con un diámetro de 18 nm (aproximadamente 70 átomos colocados uno al lado del otro). Permitió la integración teórica de siete mil millones de cruces en una moneda de 1 euro. Sin embargo, el transistor CMOS no fue un simple experimento de investigación para estudiar cómo funciona la tecnología CMOS, sino más bien una demostración de cómo funciona esta tecnología ahora que nosotros mismos estamos cada vez más cerca de trabajar a escala molecular. Según Jean-Baptiste Waldner en 2007, sería imposible dominar el ensamblaje coordinado de una gran cantidad de estos transistores en un circuito y también sería imposible crearlo a nivel industrial. [17]
En 2006, un equipo de investigadores coreanos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y el Centro Nacional Nano Fab desarrollaron un MOSFET de 3 nm , el dispositivo nanoelectrónico más pequeño del mundo . Se basó en la tecnología FinFET gate-all-around (GAA). [18] [19]
La producción comercial de dispositivos semiconductores nanoelectrónicos comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción comercial en masa de un proceso de 16 nm , [20] TSMC comenzó la producción de un proceso FinFET de 16 nm, [21] y Samsung Electronics comenzó la producción de un proceso de clase de 10 nm. [22] TSMC comenzó la producción de un proceso de 7 nm en 2017, [23] y Samsung comenzó la producción de un proceso de 5 nm en 2018. [24] En 2017, TSMC anunció planes para la producción comercial de un proceso de 3 nm para 2022. [25] En 2019, Samsung anunció planes para un proceso GAAFET (gate-all-around FET) de 3 nm para 2021. [26]
Dispositivos nanoelectrónicos
Los actuales procesos de producción de alta tecnología se basan en estrategias tradicionales de arriba hacia abajo, donde la nanotecnología ya se ha introducido de forma silenciosa. La escala de longitud crítica de los circuitos integrados ya se encuentra en la nanoescala (50 nm y menos) con respecto a la longitud de la puerta de los transistores en las CPU o dispositivos DRAM .
Ordenadores
La nanoelectrónica tiene la promesa de hacer que los procesadores de computadora sean más potentes de lo que es posible con las técnicas convencionales de fabricación de semiconductores . Actualmente se están investigando varios enfoques, incluidas nuevas formas de nanolitografía , así como el uso de nanomateriales como nanocables o moléculas pequeñas en lugar de componentes CMOS tradicionales . Los transistores de efecto de campo se han fabricado utilizando nanotubos de carbono semiconductores [27] y nanocables semiconductores heteroestructurados (SiNW). [28]
Almacenamiento de memoria
Los diseños de memoria electrónica en el pasado se han basado en gran medida en la formación de transistores. Sin embargo, la investigación en electrónica basada en conmutadores de barra transversal ha ofrecido una alternativa utilizando interconexiones reconfigurables entre matrices de cableado verticales y horizontales para crear memorias de densidad ultra alta. Dos líderes en esta área son Nantero, que ha desarrollado una memoria de barra cruzada basada en nanotubos de carbono llamada Nano-RAM y Hewlett-Packard, que ha propuesto el uso de material de memristor como un reemplazo futuro de la memoria Flash. [ cita requerida ]
Un ejemplo de estos dispositivos novedosos se basa en la espintrónica . La dependencia de la resistencia de un material (debido al giro de los electrones) de un campo externo se llama magnetorresistencia . Este efecto se puede amplificar significativamente (GMR - Magneto-Resistencia Gigante) para objetos de tamaño nanométrico, por ejemplo, cuando dos capas ferromagnéticas están separadas por una capa no magnética, que tiene varios nanómetros de espesor (por ejemplo, Co-Cu-Co). El efecto GMR ha llevado a un fuerte aumento en la densidad de almacenamiento de datos de los discos duros y ha hecho posible el rango de gigabytes. La llamada magnetorresistencia de tunelización (TMR) es muy similar a la GMR y se basa en la tunelización de electrones dependiente del espín a través de capas ferromagnéticas adyacentes. Tanto los efectos GMR como TMR se pueden utilizar para crear una memoria principal no volátil para computadoras, como la llamada memoria magnética de acceso aleatorio o MRAM . [ cita requerida ]
La producción comercial de memoria nanoelectrónica comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción en masa de memoria flash NAND de 16 nm , [20] y Samsung Electronics comenzó la producción de memoria flash NAND de celda multinivel (MLC) de 10 nm . [22] En 2017, TSMC comenzó la producción de memoria SRAM utilizando un proceso de 7 nm . [23]
Nuevos dispositivos optoelectrónicos
En la tecnología de comunicación moderna, los dispositivos eléctricos analógicos tradicionales son reemplazados cada vez más por dispositivos ópticos u optoelectrónicos debido a su enorme ancho de banda y capacidad, respectivamente. Dos ejemplos prometedores son los cristales fotónicos y los puntos cuánticos . [ cita requerida ] Los cristales fotónicos son materiales con una variación periódica en el índice de refracción con una constante de celosía que es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Ofrecen una banda prohibida seleccionable para la propagación de una determinada longitud de onda, por lo que se parecen a un semiconductor, pero para luz o fotones en lugar de electrones . Los puntos cuánticos son objetos a nanoescala que se pueden utilizar, entre muchas otras cosas, para la construcción de láseres. La ventaja de un láser de puntos cuánticos sobre el láser semiconductor tradicional es que su longitud de onda emitida depende del diámetro del punto. Los láseres de puntos cuánticos son más baratos y ofrecen una mayor calidad de haz que los diodos láser convencionales.
Muestra
La producción de pantallas con bajo consumo de energía podría lograrse utilizando nanotubos de carbono (CNT) y / o nanocables de silicio . Estas nanoestructuras son conductoras de electricidad y, debido a su pequeño diámetro de varios nanómetros, se pueden utilizar como emisores de campo con una eficiencia extremadamente alta para pantallas de emisión de campo (FED). El principio de funcionamiento se asemeja al del tubo de rayos catódicos , pero en una escala de longitud mucho menor. [ cita requerida ]
Computadoras cuánticas
Enfoques completamente nuevos para la informática explotan las leyes de la mecánica cuántica para nuevas computadoras cuánticas, que permiten el uso de algoritmos cuánticos rápidos. La computadora cuántica tiene un espacio de memoria de bits cuánticos denominado "Qubit" para varios cálculos al mismo tiempo. Esta función puede mejorar el rendimiento de los sistemas más antiguos. [ cita requerida ]
Radios
Se han desarrollado nanoradios estructurados alrededor de nanotubos de carbono . [29]
Producción de energía
Se está investigando el uso de nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes que las que son posibles con las células solares planas convencionales de silicio. [30] Se cree que la invención de una energía solar más eficiente tendría un gran efecto en la satisfacción de las necesidades energéticas mundiales.
También se está investigando la producción de energía para dispositivos que funcionarían in vivo , denominados bio-nanogeneradores. Un bio-nanogenerador es un dispositivo electroquímico a nanoescala , como una pila de combustible o una pila galvánica , pero que extrae energía de la glucosa en sangre en un cuerpo vivo, muy similar a cómo el cuerpo genera energía a partir de los alimentos . Para lograr el efecto, se usa una enzima que es capaz de despojar a la glucosa de sus electrones , liberándolos para su uso en dispositivos eléctricos. El cuerpo de una persona promedio podría, teóricamente, generar 100 vatios de electricidad (alrededor de 2000 calorías de alimentos por día) usando un bio-nano generador. [31] Sin embargo, esta estimación solo es cierta si todos los alimentos se convirtieron en electricidad y el cuerpo humano necesita algo de energía de manera constante, por lo que la posible energía generada es probablemente mucho menor. La electricidad generada por un dispositivo de este tipo podría alimentar dispositivos integrados en el cuerpo (como marcapasos ) o nanorobots alimentados con azúcar . Gran parte de la investigación realizada sobre generadores bio-nano es todavía experimental, con el Laboratorio de Investigación de Nanotecnología de Panasonic entre los que están a la vanguardia.
Diagnósticos médicos
Existe un gran interés en la construcción de dispositivos nanoelectrónicos [32] [33] [34] que puedan detectar las concentraciones de biomoléculas en tiempo real para su uso como diagnóstico médico, [35] por lo que entran en la categoría de nanomedicina . [36] Una línea de investigación paralela busca crear dispositivos nanoelectrónicos que puedan interactuar con células individuales para su uso en investigación biológica básica. [37] Estos dispositivos se denominan nanosensores . Tal miniaturización de la nanoelectrónica hacia la detección proteómica in vivo debería permitir nuevos enfoques para la tecnología de vigilancia, vigilancia y defensa de la salud. [38] [39] [40]
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Otras lecturas
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- Curso online de Fundamentos de Electrónica por Supriyo Datta (2008)
- Lecciones de la nanoelectrónica: una nueva perspectiva sobre el transporte (en 2 partes) (segunda edición) por Supriyo Datta (2018)
enlaces externos
- Taller de nanoelectrónica de silicio IEEE
- Instituto Virtual de Electrónica Spin
- Sitio sobre electrónica de nanotubos de carbono de pared simple a nanoescala - nanoelectrónica
- Sitio sobre nanoelectrónica e investigación avanzada de VLSI
- Sitio web de la unidad de nanoelectrónica de la Comisión Europea, DG INFSO
- Nanoelectrónica en el sitio web UnderstandingNano
- Nanoelectrónica - PhysOrg