Contando los átomos uno a uno para fabricar mejores chips

Una nueva técnica desarrollada en la Universidad Estatal de Michigan tiene una resolución de un solo átomo y podría ayudar a diseñar mejores semiconductores

Las películas de animación, los teléfonos inteligentes y la inteligencia artificial tienen algo en común: necesitan chips fabricados con semiconductores, con circuitos cada vez más pequeños y rápidos. Uno de los desafíos de comprimir circuitos electrónicos más inteligentes y poderosos en dispositivos cada vez más pequeños es saber qué estás haciendo. Esto preciosa desarrollar las herramientas y técnicas para analizar los materiales que los componen con una precisión cada vez más grande, que llegue a «ver» los mismos átomos.

Los físicos de la Universidad Estatal de Michigan han dado un paso en este sentido con un enfoque que combina la microscopía de alta resolución con láseres ultra rápidos. La técnica, descrita en la revista Nature Photonics, permite a los investigadores detectar átomos defectuosos en semiconductores con una precisión incomparable. La física de los semiconductores llama a estos átomos «impurezas», lo que suena negativo, pero generalmente se agregan a los materiales a propósito y son de vital importancia para el funcionamiento de los semiconductores en los dispositivos de hoy en día y de mañana.

«Esto es particularmente relevante para componentes con estructuras nanométricas», dijo Tyler Cocker, titular de la Cátedra Jerry Cowen de Física Experimental y líder del nuevo estudio. Eso incluye cosas como los chips para ordenadores y teléfonos inteligentes, que utilizan semiconductores. Y los investigadores están trabajando para llevar la arquitectura nanométrica al extremo mediante el diseño de materiales que tienen un grosor de un solo átomo.

«Estos materiales nanoscópicos son el futuro de los semiconductores», dijo Cocker, quien también dirige el Laboratorio de Terahertz Nanoscopía Ultra Rápida en el Departamento de Física y Astronomía de MSU. «Cuando tienes electrónicos nanométricos, es muy importante asegurarse de que los electrones puedan moverse como deseas».

Las impurezas tienen un papel importante en ese movimiento de electrones, por lo que científicos como Cocker están ansiosos por aprender exactamente dónde se encuentran y cómo se comportan. Los colegas de Cocker se han emocionado al saber que la nueva técnica de su equipo les permitirá obtener fácilmente esa información.

«Uno de mis colegas dijo, ‘espero que hayas salido a celebrarlo'», dijo Cocker. Vedran Jelic, quien encabezó el proyecto como investigador postdoctoral en el grupo de Cocker y ahora está con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, es el primer autor del nuevo informe. El equipo de investigación también incluyó a los estudiantes de doctorado Stefanie Adams, Eve Ammerman y Mohamed Hassan, así como al estudiante de pregrado Kaedon Cleland-Host.

Cocker agregó que la técnica es fácil de implementar con el equipo adecuado y su equipo ya la está aplicando a materiales con espesor de un solo átomo, como cintas de grafeno nanométricas.

«Tenemos varios proyectos abiertos en los que estamos utilizando la técnica con más materiales y materiales más exóticos», dijo Cocker. Básicamente la estamos incorporando en todo lo que hacemos y la utilizamos como técnica estándar».

Un toque ligero

Ya hay herramientas, especialmente microscopios de barrido por tunelización o STMs, que pueden ayudar a los científicos a detectar átomos individuales de impurezas.

A diferencia de los microscopios que muchos reconocerían de las clases de ciencias de la escuela secundaria, los STMs no utilizan lentes ni bombillas para ampliar los objetos. En cambio, los STMs escanean la superficie de una muestra utilizando una punta afilada a nivel atómico, casi como la aguja de un tocadiscos.

El átomo de silicio básicamente se ve como un bache profundo para los electrones

Pero la punta STM no toca la superficie de la muestra, solo se acerca lo suficiente para que los electrones puedan saltar, o tunelarse, entre la punta y la muestra.

Los STMs registran cuántos electrones saltan y de dónde saltan, junto con otra información, para proporcionar información a escala atómica sobre muestras (por eso, el laboratorio de Cocker se refiere a esto como nanoscopía en lugar de microscopía).

Pero los datos STM solos no siempre son suficientes para resolver con claridad las impurezas dentro de una muestra, especialmente en arseniuro de galio, un material semiconductor importante que se encuentra en sistemas de radar, células solares de alta eficiencia y dispositivos de telecomunicaciones modernos.

Para su última publicación, Cocker y su equipo se enfocaron en muestras de arseniuro de galio que se infundieron intencionalmente con átomos de impurezas de silicio para ajustar cómo los electrones se mueven a través del semiconductor.

«El átomo de silicio básicamente se ve como un bache profundo para los electrones», dijo Cocker. Aunque los teóricos han estado estudiando este tipo de impurezas durante décadas, los experimentadores no habían podido detectar estos átomos individuales directamente, hasta ahora.

El nuevo enfoque de Cocker y su equipo todavía utiliza un STM, pero los investigadores también iluminan pulsos láser directamente en la punta del STM.

Estos pulsos consisten en ondas de luz con frecuencias de terahertz, lo que significa que se mueven hacia arriba y hacia abajo un billón de veces por segundo. Recientemente, los teóricos habían demostrado que esta es la misma frecuencia con la que las impurezas de átomos de silicio deberían moverse de un lado a otro dentro de una muestra de arseniuro de galio.

Al acoplar STM y luz de terahertz, el equipo de MSU creó una sonda que tiene una sensibilidad incomparable para las impurezas.

Cuando la punta STM llegó a una impureza de silicio en la superficie del arseniuro de galio, apareció una señal súbita e intensa en los datos de medición del equipo. Cuando los investigadores movieron la punta un átomo lejos del defecto, la señal desapareció.

«Aquí estaba esta impureza que la gente ha estado buscando durante más de cuarenta años, y podíamos verlo sonar como una campana», dijo Cocker. «Al principio, era difícil de creer porque es muy distinto», continuó. «Tuvimos que medirla de todas las formas posibles para estar seguros de que era real».

Sin embargo, una vez convencidos de que la señal era real, fue fácil explicarla gracias a los años de trabajo teórico dedicados al tema. «Cuando descubres algo así, es realmente útil que ya haya décadas de investigación teórica caracterizándolo a fondo», afirma Jelic, que, junto con Cocker, también es autor correspondiente en el nuevo trabajo.

Aunque el laboratorio de Cocker está a la vanguardia de este campo, hay grupos en todo el mundo que combinan actualmente STM y luz de terahercios. También hay otros materiales que podrían beneficiarse de esta técnica para aplicaciones que van más allá de la detección de defectos. Ahora que su equipo ha compartido su método con la comunidad, Cocker está impaciente por ver qué otros descubrimientos le esperan.

REFERENCIA

Imagen: Los investigadores de la Universidad Estatal de Michigan combinaron la luz láser de terahertz, mostrada como una flecha ondulada roja, con una punta de microscopio de barrido por tunelización, o STM, la forma de pirámide oscura que intercambia un electrón rojo con una muestra mostrada con una superficie azul. Crédito: Eve Ammerman