Por Canuto  

Un equipo de KAIST y la startup TDS Innovation desarrolló una técnica que usa oxígeno para decidir dónde se forman cristales semiconductores 2D. En una prueba sobre un sustrato de dos centímetros, obtuvo cristales únicos en 397 de 400 sitios, un resultado prometedor que todavía requiere validación antes de llegar a la producción comercial.
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  • El método EF-SCN emplea un flujo lateral de oxígeno para suprimir la nucleación fuera del centro de cada región de crecimiento.
  • La prueba registró cristales únicos en 397 de 400 sitios patternizados, equivalentes a un rendimiento de 99,3%.
  • TDS Innovation plantea habilitar el uso comercial de semiconductores 2D alrededor de 2030, sujeto a más validaciones.

Una técnica con oxígeno busca controlar el crecimiento de semiconductores 2D

Un equipo de investigadores de KAIST y de la startup surcoreana TDS Innovation presentó un método para controlar el punto donde comienzan a crecer cristales semiconductores bidimensionales, una dificultad que limita la uniformidad de estos materiales al fabricar dispositivos. El trabajo, titulado Homogenizing two-dimensional crystals y firmado por Dongyoung Kim y Kibum Kang, fue publicado en Science el 23 de octubre de 2025. En una prueba sobre un sustrato de dos centímetros, reportó cristales únicos en 397 de 400 sitios patternizados. El resultado alcanza 99,3% de rendimiento en ese ensayo, aunque no demuestra todavía que la técnica pueda sostener una producción comercial de chips.

El desafío de evitar cristales en lugares aleatorios

Los materiales semiconductores 2D son capas extremadamente delgadas, de apenas una capa atómica en algunos casos, que podrían servir para transistores y otros dispositivos a nanoescala. El grafeno es uno de los ejemplos más conocidos, pero carece de una banda prohibida intrínseca, una propiedad necesaria para controlar el paso de corriente en transistores de conmutación convencionales. Por eso, la investigación también se concentra en otros materiales bidimensionales cuyas características eléctricas pueden resultar más adecuadas.

Entre esos materiales están los dicalcogenuros de metales de transición, conocidos como TMD. Una monocapa de disulfuro de molibdeno, o MoS₂, sí presenta una banda prohibida y se estudia como posible base de transistores futuros. Sin embargo, al hacer crecer estos cristales sobre una oblea, los puntos de nucleación suelen aparecer de forma aleatoria dentro de cada región de crecimiento, en vez de comenzar en una ubicación predeterminada.

Ese azar puede producir varios cristales dentro de una misma región. A medida que se expanden y entran en contacto, forman fronteras entre sí que perjudican el rendimiento eléctrico y hacen menos uniformes los dispositivos fabricados con el material. Controlar el lugar de inicio no es, por tanto, un detalle geométrico: permitiría reducir la formación de esas uniones no deseadas y mejorar la consistencia entre componentes.

El equipo propuso una estrategia llamada nucleación monocéntrica mediada por flujo de grabado, identificada por la sigla EF-SCN. En lugar de dejar que los cristales aparezcan en cualquier punto de la zona patternizada, el proceso busca impedir la nucleación en su interior, salvo en el centro geométrico. La meta es favorecer un solo punto de inicio y dar al cristal espacio para crecer sin encontrarse con otros cristales formados en la misma región.

Cómo actúa el flujo de oxígeno

La técnica aprovecha oxígeno liberado desde una barrera de óxido para generar un flujo de grabado lateral. Ese flujo suprime la formación de nuevos cristales en distintas partes del patrón y deja como punto favorable el centro geométrico. Así, los investigadores intentan reemplazar la nucleación estocástica, que ocurre en sitios impredecibles, por un inicio localizado de manera deliberada.

La combinación de una barrera de óxido y el flujo lateral cumple una función de control durante el crecimiento del material. Según la descripción del estudio, el mecanismo evita que surjan cristales en lugares no deseados dentro de cada área definida para el proceso. El método no cambia la naturaleza bidimensional del semiconductor; modifica las condiciones para que la formación de sus cristales ocurra en ubicaciones más uniformes.

Los investigadores utilizaron el proceso para fabricar transistores de efecto de campo, conocidos como FET, que constituyen bloques básicos de los chips modernos. En esos dispositivos, el equipo midió una movilidad de portadores de carga superior a la reportada anteriormente para transistores de MoS₂ cultivados de manera selectiva. La movilidad expresa qué tan fácilmente se desplaza la carga eléctrica a través del material, aunque el dato por sí solo no establece que el proceso esté listo para una línea de producción comercial.

En una prueba independiente sobre un sustrato de dos centímetros, el proceso produjo cristales únicos en 397 de los 400 sitios patternizados. El porcentaje resultante, 99,3%, ofrece una señal favorable sobre la capacidad de repetir el crecimiento en numerosas ubicaciones definidas. La escala del ensayo y su rendimiento son relevantes para evaluar la técnica, pero la prueba no equivale a fabricar chips comerciales ni acredita por sí misma una operación industrial.

Posibles usos y camino hacia la comercialización

Uno de los usos que TDS Innovation plantea para los semiconductores 2D es apilarlos sobre chips de silicio. La empresa sostiene que acercar la lógica y la memoria podría permitir integrar más funciones en una superficie determinada y reducir el tiempo y la energía dedicados a mover datos entre ambas. Se trata de una aplicación potencial que depende de que el material y el proceso de fabricación alcancen la fiabilidad necesaria.

La firma también relaciona estos materiales con los CFET, sigla de transistores de efecto de campo complementarios. En ese tipo de arquitectura, los transistores de tipo n y tipo p se apilan verticalmente, en vez de colocarse uno al lado del otro, con la intención de aprovechar mejor el espacio. IBM e Intel ya han presentado este tipo de apilamiento tridimensional, aunque la información del estudio no afirma que sus demostraciones utilicen el método EF-SCN.

Kibum Kang, co-CEO de TDS Innovation y coautor del artículo, dijo que el control del lugar de crecimiento permitiría formar cristales 2D únicos de alta calidad de manera uniforme y avanzar hacia un proceso que acerque lógica y memoria. La declaración describe la aspiración de la compañía, no un resultado de producción ya alcanzado. El estudio aporta pruebas de control de nucleación y de fabricación de FET funcionales, pero no detalla una fecha para la llegada de estos semiconductores a chips comerciales.

Jony Jung, de TDS, indicó que la empresa apunta a habilitar el uso comercial de semiconductores 2D alrededor de 2030. Añadió que la demanda de inteligencia artificial, incluida la IA física y la robótica, podría acelerar su adopción, aunque el calendario de producción dependerá de una validación adicional. Ese horizonte debe leerse como un objetivo empresarial y no como una fecha confirmada para el lanzamiento de productos.

La cobertura de The Register destacó que el 99,3% obtenido en la prueba resulta prometedor para escalar, pero también señaló que todavía no constituye una demostración de fabricación comercial. Entre los próximos retos está comprobar que el control se mantenga en procesos más amplios y que los dispositivos conserven sus propiedades de forma uniforme. Por ahora, el avance apunta a resolver un problema concreto del crecimiento de materiales 2D, mientras la posibilidad de incorporarlos a chips depende de más validación técnica.


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