Más pequeño, resistente al frío, más inteligente

El profesor Daniel Hiller en la sala técnica debajo del laboratorio central de salas limpias.

Para centros de datos de IA o computadoras cuánticas, los nano-transistores deben ser cada vez más pequeños, resistentes a temperaturas frías y más eficientes. Cómo podrán fabricarse en el futuro con nanohilos y física cuántica, lo explica el profesor Daniel Hiller en una entrevista. Como profesor Heisenberg financiado por la DFG, investiga y enseña desde 2021 en el Instituto de Física Aplicada de la TU Bergakademie Freiberg. Tras una evaluación positiva, Hiller fue oficialmente nombrado profesor de Física de Materiales Cuánticos a partir del 1 de agosto de 2026. 

Los necesitamos para fotovoltaica, transistores para chips de computadora, LED, sensores de imagen o detectores de radiación. Pero, ¿qué son exactamente los semiconductores?

Los semiconductores se llaman así porque su conductividad eléctrica está entre la de los aislantes, como el vidrio, y la de los conductores, como los metales. Es especialmente importante que la conductividad de los semiconductores pueda ser influenciada de manera controlada, lo cual es una ventaja decisiva para aplicaciones en fotovoltaica y microelectrónica. La física puede influir en las propiedades de los materiales semiconductores mediante cambios específicos en su red cristalina atómica; esto lo llamamos dopado por impurezas.

En el proceso de dopado de materiales semiconductores, se introducen o "extraen" electrones. Porque solo un electrón libre, que no esté ligado a la estructura cristalina, puede transportar corriente. Para el semiconductor silicio, estos dopantes convencionales pueden ser, por ejemplo, fósforo, arsénico o boro.

Para nuevas aplicaciones, especialmente en computadoras cuánticas, los microchips deben ser cada vez más pequeños, resistentes a temperaturas frías y más eficientes, ¿verdad?

Exactamente. La exigencia es reducir el volumen de los transistores en los microchips, al mismo tiempo que mejoran el rendimiento y se reduce el consumo de energía. ¡Desde hace unos diez años, los transistores fabricados con el dopado convencional ya no pueden miniaturizarse más! Sus dimensiones físicas características se estancan en 15-20 nanómetros.

Otro desafío son las computadoras cuánticas, que generalmente deben operarse cerca del cero absoluto, a -273,15 grados Celsius, para mantener estables los qubits. Los qubits son la unidad básica de información utilizada para codificar datos en la computación cuántica. Para intercambiar datos con una computadora cuántica, se seguirá trabajando con la electrónica convencional, que no está diseñada para funcionar a esas temperaturas. Como los portadores de carga libres del dopado convencional del semiconductor se congelan a estas temperaturas, se pierde el control sobre la conductividad.

¿Qué soluciones ofrece la mecánica cuántica para estos nuevos requisitos?

Aquí entra en juego el dopado por modulación que investigamos. Básicamente, los átomos dopantes no se incorporan en el silicio en sí, sino en capas ultrafinas de dióxido de silicio en su superficie. Para lograr un transporte de carga a pesar de sus propiedades aislantes, utilizamos nanohilos y el llamado tunelamiento cuántico. Como la estructura cristalina del semiconductor permanece sin cambios, se mantiene la movilidad de los portadores de carga, lo cual es beneficioso para la eficiencia energética de los componentes. Además, la conductividad se mantiene incluso en temperaturas extremas.

Junto con varios socios de cooperación, ya hemos probado con éxito los primeros transistores dopados por modulación. Sin embargo, aún existe una gran necesidad de investigación y desarrollo para fabricar transistores ultrpequeños con dopado por modulación optimizado.

¿Qué tan pequeños son "ultrapequeños" para este propósito?

Si se logran longitudes de transistores inferiores a 10 nanómetros, se abrirán posibilidades completamente nuevas para la eficiencia energética de la computación. Para comparar: un cabello humano promedio tiene unos 0,1 milímetros, ¡aproximadamente 10.000 veces más grueso!

Los nuevos procesos de dopado por modulación se llevan a cabo en el Laboratorio Central de Limpieza de la TU Bergakademie Freiberg. ¿Qué hace que trabajar en ello sea tan emocionante?

Trabajo al menos una vez por semana en el laboratorio en el dopado por modulación, usando diferentes materiales de capa delgada, y acompaño a estudiantes y doctorandos. Mientras que con un colega en Canberra, Australia, podemos calcular y modelar muy confiablemente las propiedades de las nuevas funciones de superficie de los semiconductores mediante simulaciones por computadora, necesitamos el experimento para verificar las predicciones. En el laboratorio, construimos los materiales según la "receta" calculada y luego medimos la conductividad o las concentraciones de portadores de carga. Después, sacamos conclusiones sobre lo que realmente ha ocurrido en el material y utilizamos estos conocimientos para mejorar los procesos.

Para la fabricación de nano-transistores ultrpequeños, la física aplicada pronto contará con un equipo especial: un sistema de litografía por haz de electrones. ¡El trabajo en los nuevos materiales será aún más emocionante!