El futuro del grafeno (III): desarrollo de dispositivos electrónicos

BOLETIN OBSERVACION TECNOLOGICA 48

tecnologías emergentes El futuro del grafeno (III): desarrollo de dispositivos electrónicos Autores: Luis Miguel Requejo Morcillo, OT MAT, SDG PLATIN; Yolanda Benzi Rabazas, OT ELEC, SDG PLATIN. Palabras clave: grafeno, electrónica, transistor, flexible. Metas Tecnológicas relacionadas: MT 2.1.1; MT 2.1.2; MT 2.1.3; MT 2.1.4; MT 2.2.5; MT 4.3.4 Este tercer capítulo se centra en la generación de futuros dispositivos electrónicos de interés para la defen-sa, más concretamente en la mejora de la capacidad de los transistores actuales y en el desarrollo de lo que se denomina como electrónica flexi-ble. Las propiedades ya conocidas que presenta el grafeno (material existente más delgado, casi transparente, más resistente, rígido y a su vez elástico, con mayor conductividad térmica, con una muy elevada movilidad de los portadores de carga, etc.) han hecho de éste un complemento e incluso un futuro sustituto del silicio en el ámbito de la electrónica y los circuitos inte-grados, así como la base sobre la que construir una nueva generación de dispositivos electrónicos flexibles. Transistores y circuitos integrados En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS (Comple-mentary- symmetry Metal–Oxide–Se-miconductor), fundamentada en el si-licio. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de cir-cuitos integrados digitales. Los transistores de silicio, diminutos conmutadores que transmiten infor-mación en un chip, se han vuelto año tras año cada vez más pequeños (lle-gando a la nanoescala) para aumen-tar la velocidad a la que se desplazan los electrones. De acuerdo a la Ley de Moore, según la cual cada dos años se duplica el número de transistores en un circuito integrado, para el año 2024, la tecnología nos habrá llevado hasta los 7 nanómetros de separación entre los transistores, punto en el que la velocidad, consumo y tamaño ha-bía llegado al mínimo posible utilizan-do el silicio como base (según ITRS - International Technology Roadmap for Semiconductors). Actualmente, los fabricantes están trabajando con tamaños de 14 nanómetros. Por ello, existe una necesidad cada vez más urgente de buscar nuevos materiales y diseños de arquitectura de circuitos para el procesado y almacenaje de in-formación que superen las limitacio-nes de la actual tecnología a medida que nos acercamos a estos límites. De momento no hay una alternativa viable que ofrezca las ventajas de la Fig. 2. La empresa IBM ha fabricado el primer circuito integrado de grafeno que aparece en la imagen. (Fuente: www.grafeno.com). tecnología CMOS, pero se piensa en el grafeno como una opción posible. Este material podría ser utilizado para la fabricación de dispositivos electró-nicos de altas prestaciones. En un principio se piensa que el grafeno podría ser incorporado en heteroes-tructuras basadas en la tecnología CMOS de silicio y en sustratos poli-méricos. Pasar de los dispositivos indivi-duales a circuitos integrados más complejos es la tarea más exigen-te cuando se trata de aprovechar el potencial del grafeno en electrónica. Investigadores que participan en el Programa Graphene Flagship están desarrollando y optimizando proce-sos escalables para la fabricación de dispositivos de alta frecuencia. Han diseñado un primer demostrador de circuito: un receptor para la banda de milimétricas (75 a 115 GHz). El dise-ño se basa en transistores de efecto de campo (FET) de grafeno, utilizan-do una tecnología de fabricación por transferencia a sustratos de silicio y poliméricos. Receptores en esta gama de frecuen-cias se utilizan comúnmente para aplicaciones de radar y de comuni-caciones, ya sean móviles, terres-tres o por satélite. Se espera que la fabricación de circuitos integrados de alta frecuencia basados en grafe-no suponga un salto cualitativo en la capacidad actual de los dispositivos inalámbricos, debido fundamental-mente a un aumento en su rendimien-to acompañado de reducciones con-siderables en términos de tamaño, peso y consumo. Las ventajas ofreci-das afectarían tanto a los terminales de comunicaciones del combatiente como a los diferentes sistemas que vayan embarcados en plataformas (radares, antenas, etc.). Fig. 1. Evolución y tendencia del número de transistores y de la separación entre transistores. (Fuente: Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems – Royal Society of Chemistry). 14 Boletín de Observación Tecnológica en Defensa n.º 48. Tercer y cuarto trimestre 2015


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