Los transistores modernos tienen canales de apenas 15 a 18 átomos de ancho. La industria de los semiconductores ha fabricado billones de ellos sin haber podido ver nunca, con precisión atómica, qué ocurre en su interior.
Un equipo de la Universidad de Cornell acaba de lograrlo por primera vez. Y lo que encontraron no resulta precisamente tranquilizador: en las paredes de esos canales microscópicos aparecen pequeñas irregularidades, casi como mordiscos, que nadie había visto ni sabía exactamente dónde estaban.
Fabricando a ciegas: el secreto incómodo de la industria de los semiconductores
Los transistores funcionan como pequeñas tuberías por las que circulan electrones en lugar de agua. Si las paredes son rugosas, el flujo se ralentiza y el rendimiento cae. Durante décadas, la industria ha sabido que esas paredes podían no ser perfectas, pero carecía de herramientas para verlas átomo a átomo.
Las consecuencias son muy concretas. Los chips impulsan desde smartphones y coches hasta centros de datos de inteligencia artificial, y cuando los canales de un transistor tienen apenas 15 o 18 átomos de ancho, la posición de cada átomo importa. Un defecto invisible puede marcar la diferencia entre un chip eficiente y uno que consume más energía de la necesaria.
De suburbios planos a rascacielos nanométricos: cómo los chips se volvieron imposibles de inspeccionar
Los primeros transistores se distribuían en capas planas sobre el silicio, como casas en un barrio que se expande hacia los lados. Con el tiempo, ese espacio horizontal se agotó. Los ingenieros empezaron entonces a apilar los transistores verticalmente, creando estructuras tridimensionales que se asemejan a rascacielos en miniatura.
«El problema es que estas estructuras 3D son más pequeñas que un virus», explicó David Muller, profesor de Ingeniería en Cornell y director del proyecto. «Hoy en día es más bien la escala de una molécula dentro de una célula.»
Un chip avanzado puede contener miles de millones de estos transistores. A esa densidad, diagnosticar fallos de rendimiento se ha convertido en un desafío casi irresoluble: las técnicas convencionales solo ofrecían vistas proyectivas, incapaces de revelar la estructura interna con precisión atómica.
El ‘avión a reacción’ de la microscopía: ptycografía electrónica y el detector EMPAD
La técnica que ha cambiado esta situación se llama ptycografía electrónica. Muller la describe con una analogía directa: si la microscopía electrónica clásica era como volar en biplano, esto es como hacerlo en reactor.
El sistema se apoya en un detector llamado EMPAD —desarrollado en parte por el propio grupo de Muller en Cornell—, que registra los patrones de dispersión generados cuando los electrones atraviesan las estructuras del transistor. Un proceso computacional posterior reconstruye mapas atómicos tridimensionales a partir de esos patrones. La precisión alcanzada ha producido las imágenes de mayor resolución jamás capturadas, un logro reconocido por el Guinness World Records.
Los fundamentos de este trabajo tienen raíces antiguas. A finales de los noventa, Muller investigó en Bell Labs —donde se inventó el transistor— el uso del óxido de hafnio como material de puerta, sentando las bases de la colaboración que décadas después llevaría a este avance con TSMC y ASM.
‘Mordiscos de ratón’: lo que apareció al mirar dentro de los transistores
Cuando los investigadores reconstruyeron los mapas atómicos del interior de los transistores, encontraron algo que nadie había visto antes con tanta claridad: pequeñas rugosidades en las interfaces de los canales. Shake Karapetyan, doctorando y autor principal del estudio, las bautizó como mouse bites, mordiscos de ratón.
Estos defectos no son accidentales en sentido estricto. Se forman durante el proceso de fabricación, que puede implicar cientos o miles de pasos de grabado químico, deposición de materiales y tratamientos térmicos, y cada uno deja su huella en la estructura.
«Antes se usaban imágenes proyectivas para intentar entender qué estaba pasando», explicó Karapetyan. «Ahora tienes una sonda directa para ver, después de cada paso, qué aspecto tiene la estructura realmente.» Los dispositivos de muestra procedían del centro de investigación en nanoelectrónica Imec, que sirvió como plataforma de validación. Lo relevante no es solo haber encontrado los defectos, sino poder localizarlos con precisión atómica y vincularlos a pasos concretos del proceso. Eso convierte la técnica en una guía de diagnóstico para ingenieros, no solo en un logro científico.
Lo que cambia a partir de ahora: chips, computación cuántica y el fin de fabricar a ciegas
El hallazgo, publicado el 23 de febrero en Nature Communications con financiación de TSMC y apoyo de instalaciones de microscopía de la NSF, abre una nueva etapa para el diseño y la verificación de semiconductores.
«Como no hay realmente ninguna otra manera de ver la estructura atómica de estos defectos, esto va a ser una herramienta de caracterización muy importante para la depuración y detección de fallos en chips, especialmente en la fase de desarrollo», afirmó Muller.
Las implicaciones alcanzan también a la computación cuántica, que exige un control extraordinariamente preciso sobre la estructura de los materiales: cualquier imperfección atómica puede comprometer el funcionamiento de un qubit. Contar con una herramienta capaz de ver esas imperfecciones directamente podría acelerar el desarrollo de esta tecnología de forma significativa.
A corto plazo, la ptycografía electrónica podría integrarse en los flujos de trabajo de los grandes fabricantes como herramienta de diagnóstico rutinaria. Lo que durante décadas fue invisible —y por tanto incontrolable— empieza a tener nombre, forma y coordenadas atómicas. La industria ya no tendrá que fabricar completamente a ciegas.