De la Micro a la NanoElectrónica
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De la Micro a la NanoElectrónica
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Juan Piqueras Piqueras
Catedrático del Departamento de Física Aplicada de la UAM. Grupo de Electrónica y Semiconductores (ELySE-UAM).
"Hay que ir poniendo las herramientas necesarias para que el alumno pueda aprender. Es decir, tiene que haber investigación y, en paralelo, enseñanza de tal manera que las herramientas que se van desarrollando en investigación se puedan transferir en un plazo razonable a la enseñanza. Si no se tienen grupos de investigación en este área es muy difícil."
Transistor de película delgada
Transistor de película delgada (TFT) de nitruro y óxido de zinc. Esquemas en las figuras superiores y microfotografía del TFT realizada en el Laboratorio de Microelectrónica ( C. García et al., WOCSDICE mayo 2011)
Bien, tú estás en el Departamento..
El Departamento de Física Aplicada. Tiene varios grupos de investigación muy diversos, desde Física de Materiales, Física de Superficies, un pequeño grupo también de Energías Alternativas (energía solar) y el grupo que yo lidero que es el grupo de Microelectrónica y Semiconductores.
Con un importante laboratorio.
Sí, tenemos dos salas blancas, una especialmente calificada y otra pseudoblanca, porque no tiene mucha calificación.
Nanohilos
Nanohilos de Si fabricados por VLS y litografía por haz de electrones (M.J.Hernández et al. Nanotechnology, 21, 45, 455602, 2010)
¿Qué es una sala blanca?
Una sala blanca es un sitio ausente de partículas de polvo. Se suele hablar de clase 100 cuando en el ambiente hay menos de 100 partículas, de 0,5 micras por pie cúbico. Típicamente en una sala blanca de fabricación microelectrónica uno exige zonas de clasificación 10 o menos de 10 en los procesos críticos de fabricación.
Otra de las exigencias de una sala blanca es la ausencia de vibración. Al fin y al cabo, grabar un motivo es un proceso más o menos fotográfico, en el cual uno pone una mascara y quiere revelar exactamente lo que tiene en esa máscara fotográfica. Si existe la más mínima vibración no se graba, porque requiere un cierto tiempo de grabado (si está vibrando se produce una cierta difusión y el motivo no tiene la resolución que uno quiere).
Está situada debajo del departamento de Física Teórica. Está en el suelo, para evitar vibraciones y toda la plataforma está aislada del edificio, porque si uno viene aquí, a la sexta planta, estaría midiendo una vibración natural del edificio, de unos cuantos ciclos por segundo y una amplitud de unas cuantas micras. Naturalmente, eso impide hacer dispositivos microelectrónicos y ya no digamos si hablamos de nanoelectrónicos
¿Y estos dispositivos microelectrónicos se fabrican dentro de la práctica del Grado o se encargan a empresas externas?
El proceso de fabricación está fuera del Grado, porque la tecnología es muy cara. Lo que sí se hace aquí es que los alumnos pueden acceder mediante una aplicación Java a algunos de estos dispositivos para hacer una evaluación vía remota.
Están activando la función del instrumental..
Naturalmente no les dejamos acceder al dispositivo porque tiene riesgo pero pueden medirlo. Se conectan, se les da una clave de utilización, y durante un tiempo, que previamente han reservado, pueden hacer medidas.
¿Pero habrá una manipulación, física, ahí?..
Bueno, la manipulación es que el dispositivo que ellos deben medir nosotros se lo conectamos en el aparato. El resto lo hacen de forma remota.
Ellos no acceden a las salas blancas; acceden a la parte de fuera, las zonas de medida y acceden de forma remota. Para acceder a esos procesos de fabricación únicamente se puede a partir del doctorado.
¿Qué nivel o grado de utilización tiene el laboratorio? ¿Se le saca mucho rendimiento?...
Aparte del indudable soporte que proporciona a nuestro grupo, se le saca rendimiento más para colaboración con otros grupos, no solo de nuestro departamento, sino de otros departamentos e incluso para instituciones externas y empresas, y más para colaboraciones de investigación que para la enseñanza.
Nanotubos de Carbono de pared simple
Nanotubos de Carbono de pared simple (SWNT) crecidos por Chemical Vapor Deposition en el Laboratorio de Recubrimientos y Nanoestructuras del Dpto de Física Aplicada (C. Morant et al. Diamond 2010)
Imagino que este Laboratorio de Microelectrónica tiene un instrumental que necesita una actualización frecuente..
Sí, si, yo creo que cualquier laboratorio de Microelectrónica necesita una actualización muy frecuente porque cada 10, 12 años los equipos se quedan obsoletos. Una de las cosas que solemos hacer es que los equipos que van quedando un poco obsoletos los pasamos a los laboratorios de enseñanza.
Estos aparatos son muy caros y no se puede poner a un estudiante frente a un aparato que puede costar cinco o seis mil euros. No se puede poner un puesto de trabajo para cada uno de ellos.
¿Cómo se introducen de forma programada unos estudios que son tan dinámicos?...
Bueno, no siempre es fácil… Hay una parte de historia que es fácil de ir introduciendo: la década de los 60 y principios de los 70, la revolución microelectrónica, la historia de los chips… Lo que uno hacía con componentes discretos, en los que uno podía ver las conexiones eléctricas, ahora están en un plano y, antes de encapsularlos, ha de acceder a ellos con una estación de puntas y a través de un microscopio…
Hay que ir poniendo las herramientas necesarias para que el alumno lo pueda aprender. Es decir, tiene que haber investigación y, en paralelo, enseñanza de tal manera que las herramientas que se van desarrollando en investigación se puedan transferir en un plazo razonable a la enseñanza. Si no se tienen grupos de investigación en este área es muy difícil. Y es general, en cualquier área. Yo creo que ahora todo el mundo sabe qué es la Microelectrónica, no tienes más que mirar alrededor…
Sabe que la microelectrónica forma parte de la vida pero qué sepa lo que esla microelectrónica lo saben solo unos pocos...
Bueno, no creas. Hace 20 ó 30 años hubo un Plan Nacional de Microelectrónica vía el cual se crearon una serie de centros, laboratorios, a los cuales se les dotó para hacer diseños.
Gracias a aquel Plan Nacional de Microlectrónica diversos centros de investigación en universidades y el CSIC adquirieron el know-how y experiencia en diseño microelectrónico. Hay muchos centros donde los estudiantes de la Universidad saben hoy día hacer diseño microelectrónico. Finalmente ese diseño se ha transferido ya a la industria y, puede decirse que cualquier empresa electrónica en nuestro país, por pequeña que sea, tiene capacidad para hacer sus propios diseños.
Todo esto es importante, no por afán de competir en el mercado internacional, sino por lo que se suele llamar mercado cautivo.
Nanohilo de Si aislado
Nanohilo de Si aislado fabricados por VLS con catalizador de Ga (esfera en el extremo del hilo).
Se ha abierto, quieres decir, un poco la propiedad intelectual..
Efectivamente, uno no puede competir con los diseñadores de teléfonos o móviles o todo esto, pero pequeñas cosas siempre se pueden hacer y esto es importante para aumentar el conocimiento del país.
Evidentemente después de tantos años como profesor, tendrá una idea de lo que representa el Físico en la sociedad o cómo ha evolucionado a lo largo de estas décadas. ¿Cuál es el papel de los Físicos en esta sociedad?..
Por hablar un poco de mi historia propia, cuando yo empezaba, la Física era algo que había desaparecido de este país, desgraciadamente, y no porque no tuviéramos una tradición propia, porque teníamos Físicos excelentes. Antes de la guerra civil había un buen panel de físicos y en general científicos excelentes. Esto decayó y no fue hasta la época de los 70 cuando empezó a traerse a científicos de prestigio que estaban fuera de España. De hecho Nicolás Cabrera, que fue el creador de toda la Física aquí en esta Universidad, es un hito. Y yo creo que poco a poco eso que empezó en unos cuantos sitios se ha extendido por todo el país yme da la impresión de que ahora todo el mundo sabe lo que es un Físico y qué es capaz de hacer.
¿Y sobre el trabajo como Físico? ¿Crees que estos estudios valen la pena sin importar dónde o en qué acabes trabajando?..
Normalmente a los Físicos, y especialmente en esta Universidad, se busca darles una formación muy abierta, de tal manera que no solamente puedan ejercer como físicos, sino que puedan hacer otras cosas más o menos indirectamente relacionadas con lo que aprendieron.
Gracias a esa formación mucho más abierta y a su capacidad para integrarse con investigadores procedentes de distintas especialidades, contribuyen a aumentar la creatividad, porque los grandes avances científicos se dan normalmente cuando uno reúne un equipo multidisciplinar.
Cuando dices un equipo multidisciplinar te refieres principalmente a la investigación..
No, también dentro del grado se da una formación abierta. Siempre ha habido un ejemplo que a mí me gusta contar a los alumnos: cuando se creó el equipo de los Laboratorios Bell (más tarde Lucent), acabada la Primera Guerra Mundial, era un equipo absolutamente multidisciplinar: había Ingenieros, había Metalúrgicos, había Físicos Teóricos, había Químicos… De lo único que entonces no había en ese equipo, creo yo, era Biólogos o gente de Medicina. Y ahora, sin embargo, cuando uno ve equipos que están haciendo cosas por el estilo también encuentra a estos profesionales.
¿Estáis en tu departamento bien dotados de recursos materiales y humanos?...
Yo creo que sí. Siempre querríamos más pero desde luego la gente de nuestro grupo está excepcionalmente dotada. Dos salas blancas, un laboratorio con una inversión acumulada que ahora mismo puede andar por varios millones de euros… Esto nació con el Plan Nacional de Microelectrónica, que se crearon una serie de laboratorios y de centros. La dotación de ese laboratorio fue en aquel entonces, por el año 80, de algo más de 500 millones de pesetas de las de entonces. Pero todos los demás departamentos también tienen una dotación impresionante
¿Y después de la Microelectrónica?
Quizás haya hablado mucho de Microelectrónica y me gustaría añadir algo más. Uno se enfrenta siempre a un tope; esto les llama mucho la atención a los estudiantes. Yo creo que la Microelectrónica ahora mismo se está enfrentando con una pared que con las herramientas y los conceptos habituales es insalvable. Igual que la electrónica cuando terminada la Guerra Mundial se enfrentó con una barrera insalvable y de ahí nació la Microelectrónica, ahora mismo hay unos límites fundamentales para seguir haciendo cosas más rápidas y más eficientes. Ya habrás oído hablar de la revolución nanotecnológica. La Nanotecnología está afectando a todo, y si uno quiere ir más allá en aplicaciones más eficientes tiene que ir pensando en las posibilidades que ofrecen los nuevos desarrollos que ya se están haciendo a nivel nanoelectrónico. Dispositivos muy, muy pequeños que son capaces de funcionar con menor consumo de energía y con menos errores. No creo equivocarme, pero en mi opinión estamos asistiendo al nacimiento de una nueva revolución tecnológica.
Bien, ¿qué podrías decir de las nuevas tendencias en tu campo?
Las consignas en Microelectrónica, siempre ha sido “más rápido, menos consumo y más seguro”. Aplicaciones para la electrónica de gran consumo como paneles táctiles en los que puedan integrarse funciones de detección, visualización y la propia gestión electrónica de todas ellas ha dado lugar a algo denominado como “electrónica invisible” o “electrónica transparente”. Transistores de película delgada (TFT) realizados a partir de óxidos u oxinitruros metálicos son una apuesta de gran actualidad. En otro sentido la aplicación de nanodispositivos para la realización de funciones electrónicas más complejas y eficientes es uno de los retos actuales en este campo. Por ejemplo, nanotubos de carbono, nanohilos de distintos tipos de semiconductores, silicio, compuestos III-V, óxidos metálicos, … son excelentes opciones para la fabricación de transistores órdenes de magnitud más rápidos y de menor consumo. Pero no sólo para aplicaciones puramente electrónicas, sino nanohilos como electrodos para baterías más eficientes con vistas a vehículos híbridos,nanobiosensores para identificación de proteínas, arrays de nanodetectores en forma nanoconos y nanobastones para mimetizar la retina,…por citar sólo algunas de las posibles aplicaciones que más interés han despertado recientemente.
Nanotubos de Carbono verticalmente alineados
Nanotubos de Carbono verticalmente alineados crecidos selectivamente sobre las zonas no recubiertas de TiN (arriba izquierda vista lateral, derecha vista superior). Líneas de TiN (imagen inferior) definidas por fotolitografía (TiN líneas claras, Si zonas oscuras). (T. Campo et al. IUPAC 2011)
Para lo cual contáis con este magnífico Campus..
Contamos con algunos Institutos y gente muy bien preparada para hacerlo. En particular, en nuestro departamento, hay varios grupos con una actividad de investigación muy interesante en nanoestructuras. Por tradición, en nuestro departamento ha existido una vocación tecnológica muy arraigada como señal de identidad. Bien es verdad que uno no debe tratar de competir en alat cnología del desarrollo, si acaso debería pensar en competir con lo que debería llamarse pretecnología. O sea, nanociencia, pretecnología y de ahí crear un hábito en la sociedad para trasladar los nuevos conocimientos a aplicaciones concretas.
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