La importancia del trabajo no está únicamente en fabricar un material extremadamente fino. Los investigadores produjeron 224 transistores procedentes de tres lotes diferentes y comprobaron que sus características eléctricas se mantenían de forma suficientemente uniforme a lo largo de la oblea.
Los dispositivos alcanzaron una movilidad de huecos de aproximadamente 100 cm²/V·s y una relación de corriente entre encendido y apagado de alrededor de 10⁸. El estudio se publicó el 30 de septiembre de 2026 en Nature y la Universidad de Tokio presentó los resultados el 1 de octubre.
Un semiconductor p-type de solo una capa atómica
Los circuitos electrónicos modernos necesitan combinar dos tipos de transistores: los que transportan principalmente electrones, denominados n-type, y los que utilizan huecos como portadores, los p-type. Esta combinación es la base de los circuitos complementarios como CMOS.
Los materiales bidimensionales resultan especialmente interesantes porque pueden reducir su grosor hasta una o unas pocas capas atómicas. Sin embargo, conseguir materiales p-type que combinen buen rendimiento eléctrico, estabilidad y fabricación sobre superficies relativamente grandes sigue siendo uno de los principales obstáculos.
El equipo abordó ese problema partiendo de nitruro de boro (BN). En lugar de utilizarlo tal cual, incorporó átomos de carbono dentro de su red cristalina para modificar sus propiedades electrónicas y convertirlo en un semiconductor BCN p-type.
La Universidad de Tokio compara conceptualmente este método con el dopaje utilizado en silicio: sustituir determinados átomos permite alterar el comportamiento eléctrico del material.
Las imágenes de microscopía electrónica con resolución atómica confirmaron que los átomos de carbono se integraban dentro de la red de BN, especialmente sustituyendo posiciones asociadas al nitrógeno. El material obtenido presentaba además un bandgap de aproximadamente 1,90 eV.
El reto no era solo hacerlo fino, sino fabricarlo en toda una oblea
Crear una pequeña muestra de un material 2D en laboratorio es muy diferente a producir una película continua y uniforme sobre una superficie suficientemente grande como para fabricar numerosos dispositivos.
Para conseguirlo, los investigadores desarrollaron un proceso de crecimiento epitaxial mediante deposición química de vapor a baja presión sobre cobre con orientación cristalina Cu(111).
El proceso utiliza dos moléculas precursoras, monometilamina borano y amoniaco borano. Controlando cómo se descomponen y reaccionan, el equipo consiguió evitar que el carbono se agrupara formando regiones similares al grafeno y favorecer que quedara integrado en la red de boro y nitrógeno.
El resultado fue una película continua de BCN de una sola capa extendida sobre un sustrato de 2 pulgadas.
Esa escala es importante porque uno de los grandes retos para utilizar nuevos materiales en electrónica no es demostrar que funcionan en una muestra microscópica, sino conseguir que puedan producirse de manera repetible sobre superficies cada vez mayores.
224 transistores para comprobar si el material era uniforme
Después de fabricar la película, el equipo transfirió el BCN a un aislante de óxido de hafnio de 20 nm y construyó transistores de efecto de campo utilizando contactos de níquel y oro.
Los dispositivos con canales de 1 µm de longitud y 5 µm de ancho mostraron comportamiento p-type a temperatura ambiente.
| Característica | Resultado aproximado |
|---|---|
| Grosor | Una capa atómica |
| Escala de fabricación | Oblea de 2 pulgadas |
| Movilidad de huecos | 100 cm²/V·s |
| Corriente de encendido | 0,9 mA/µm |
| Relación on/off | 10⁸ |
| Bandgap medido | 1,90 eV |
| Dispositivos evaluados | 224 transistores de tres lotes |
Los investigadores evaluaron 224 transistores fabricados en tres lotes distintos y en diferentes posiciones de la oblea. La distribución de las características eléctricas mostró una uniformidad suficiente como para demostrar que el resultado no dependía únicamente de unos pocos dispositivos especialmente favorables.
El artículo de Nature describe estos valores como competitivos frente a otros semiconductores 2D p-type, especialmente porque se combinan con crecimiento a escala de oblea.
Por qué podría ayudar a fabricar chips más pequeños y apilados
El principal interés de los materiales 2D aparece cuando los transistores convencionales se acercan a límites en los que reducir más su tamaño resulta cada vez más complicado.
Una capa atómica ofrece un canal extremadamente fino y puede resultar atractiva para futuros transistores y para integración tridimensional monolítica, donde varias capas de dispositivos se colocan unas encima de otras para aumentar la densidad sin depender únicamente de reducir el tamaño lateral.
El BCN desarrollado en este trabajo podría funcionar como componente p-type y combinarse en el futuro con semiconductores 2D n-type, como el disulfuro de molibdeno, para crear circuitos complementarios formados por materiales atómicamente delgados.
En Hardmaniacos ya vimos otro material 2D con posibles aplicaciones electrónicas, el fósforo negro y su potencial como semiconductor ultrafino. El BCN sigue una línea de investigación relacionada, pero busca resolver específicamente la falta de materiales p-type de alto rendimiento capaces de crecer sobre superficies grandes.
Eso no significa que vayamos a ver procesadores comerciales fabricados con BCN a corto plazo. La propia Universidad de Tokio enumera todavía varios retos: controlar con mayor precisión la concentración y posición del carbono, reducir la temperatura de crecimiento, integrar circuitos complementarios completos y adaptar el proceso a fabricación masiva.
Por tanto, el avance no consiste en haber creado ya un sustituto del silicio, sino en demostrar que un semiconductor p-type de una sola capa puede combinar rendimiento elevado, fabricación en una oblea de 2 pulgadas y características relativamente uniformes en cientos de transistores. Ese conjunto es el que hace que el resultado sea especialmente interesante para futuros chips extremadamente finos y estructuras electrónicas apiladas.
Fuentes: Universidad de Tokio — semiconductor BCN p-type a escala de oblea y Nature — Wafer-scale epitaxy growth of high-mobility p-type boron carbon nitride.