Los semiconductores de silicio convencionales dejan de funcionar por encima de los 150°C. En cambio, los semiconductores de carburo de silicio (SiC) que desarrolla la Universidad de Hiroshima operan a 500°C y resisten radiación de nivel megagray. Si se comercializan, esta tecnología podría transformar de raíz tanto la exploración prolongada de la superficie de Venus como el desmantelamiento de la central nuclear de Fukushima Daiichi. Repasamos el potencial de una tecnología japonesa que logró el primer prototipo del mundo fabricado en una planta de producción en masa.

El problema de los "entornos extremos": por qué los semiconductores convencionales se quedan cortos

Los semiconductores son el corazón de los dispositivos electrónicos: desde teléfonos inteligentes hasta automóviles y equipos médicos, la sociedad moderna no funcionaría sin ellos. Sin embargo, los semiconductores de silicio convencionales tienen una debilidad decisiva: por encima de unos 150°C sufren un desbordamiento térmico y dejan de funcionar con normalidad. Además, en entornos con radiación empiezan a fallar en torno a los 0,2 kGy (kilogray).

¿Qué implica esto? En el espacio exterior, en el interior de instalaciones nucleares, en perforaciones profundas del subsuelo o dentro de los motores a reacción, estos "entornos extremos" obligan a instalar voluminosos sistemas de refrigeración o blindajes para poder usar equipos electrónicos. En algunos casos, hay que renunciar por completo a usarlos.

El equipo del profesor Shinichiro Kuroki, del Instituto de Investigación de Tecnología para la Industria de Semiconductores de la Universidad de Hiroshima, trabaja para superar este límite mediante circuitos integrados basados en carburo de silicio (SiC).

Las propiedades extraordinarias del carburo de silicio

El carburo de silicio es un compuesto de silicio y carbono. Posee una dureza solo superada por la del diamante, una excelente conductividad térmica y una gran estabilidad química.

Su mayor ventaja como semiconductor es una banda prohibida ancha. Mientras que la del silicio es de unos 1,1 eV (electronvoltios), la del SiC (tipo 4H-SiC) ronda los 3,3 eV, casi el triple. Por eso el descontrol de los electrones por excitación térmica es poco probable incluso a altas temperaturas, lo que permite un funcionamiento estable a 500°C.

Su resistencia a la radiación también es de otro orden. Mientras que un semiconductor de silicio convencional se daña con unos pocos kGy, se ha confirmado que un circuito integrado de SiC soporta niveles de MGy (megagray), es decir, más de 1.000 veces esa radiación.

Éxito del prototipo en una planta de producción en masa: una primicia mundial

En abril de 2025, el equipo conjunto de la Universidad de Hiroshima y Phenitec Semiconductor (con sede en Ibara, prefectura de Okayama) logró por primera vez en el mundo fabricar un prototipo de circuito integrado de SiC en una planta de producción en masa de semiconductores.

El trabajo se realizó en la línea de obleas de 6 pulgadas de la planta de Kagoshima de Phenitec (Yusui, prefectura de Kagoshima), y ambas partes tardaron alrededor de un año en establecer el diseño de los circuitos y el proceso de fabricación. El resultado fue una oblea de prueba que integraba chips de test de sensores de imagen CMOS y dispositivos de evaluación de proceso.

Hasta ahora, la fabricación de circuitos integrados de SiC solo era posible dentro de la sala superlimpia de la Universidad de Hiroshima, una instalación de investigación. Conseguirlo en una fábrica de producción en masa supone un gran paso desde la fase de investigación hacia la de aplicación práctica. La transferencia tecnológica hacia una fundición (fabricación por encargo) de circuitos integrados de SiC empieza a ser una posibilidad real.

Aplicación 1: la exploración de Venus

Una de las aplicaciones más espectaculares de la tecnología de semiconductores de SiC es la exploración de la superficie de Venus.

A Venus se le llama a veces "la gemela de la Tierra", pero su entorno superficial es un auténtico infierno. La presión atmosférica es unas 93 veces la de la Tierra (9,4 MPa) y, por el efecto invernadero de una densa atmósfera compuesta principalmente de dióxido de carbono, la temperatura superficial alcanza unos 460°C de día y de noche. Además, en las capas altas de la atmósfera se arremolinan nubes de ácido sulfúrico.

En 1982, la sonda soviética Venera 13 logró aterrizar en la superficie de Venus y transmitir fotografías a color a la Tierra. Sin embargo, pese a que la electrónica estaba protegida en un recipiente presurizado con un sistema de refrigeración basado en sales de litio, dejó de funcionar tras apenas 127 minutos. Ese sigue siendo, hasta hoy, el récord de tiempo de operación en la superficie de Venus.

El Centro de Investigación Glenn de la NASA desarrolló circuitos integrados de SiC del tipo JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los probó en una cámara de ensayo que reproduce el entorno de la superficie de Venus (el GEER). El resultado fue un funcionamiento continuo de más de 60 días sin refrigeración ni blindaje, una durabilidad más de 100 veces superior a la de los sistemas convencionales.

La NASA impulsa el proyecto LLISSE (Long-Lived In-situ Solar System Explorer), una sonda de aterrizaje en Venus equipada con electrónica de SiC. Mientras que los módulos de aterrizaje anteriores necesitaban una masa de unos 700 kg, el LLISSE puede diseñarse con menos de 20 kg al prescindir del blindaje ambiental.

La tecnología de la Universidad de Hiroshima está en sintonía con esta corriente de la exploración espacial. En el laboratorio del profesor Kuroki se avanza, dentro del proyecto Kakenhi de Investigación Fundamental (S) "Establecimiento de una electrónica de SiC para entornos extremos que sostenga la expansión de la frontera de la humanidad", con la aplicación al desarrollo espacial claramente en el horizonte.

Aplicación 2: el desmantelamiento de la central nuclear de Fukushima Daiichi

Otra aplicación importante es el desmantelamiento de la central nuclear de Fukushima Daiichi.

Más de 14 años después del accidente de 2011, la retirada del combustible nuclear fundido (los residuos de combustible) sigue siendo el mayor obstáculo. El interior de la vasija de contención del reactor es un entorno de dosis extremadamente alta, de varios cientos de sieverts por hora (una inspección de 2017 registró hasta 650 Sv/h), donde no solo las personas, sino también los equipos electrónicos ordinarios, pierden su funcionalidad en cuestión de horas.

Los robots de inspección empleados hasta ahora (PMORPH, Mini-Manbo, Spot, entre otros) incorporan diseños resistentes a la radiación, pero la vida útil de sus cámaras y sensores se ha convertido en un cuello de botella para el desmantelamiento. En la inspección de la Unidad 2 de 2017, la cámara del robot se oscureció al acumular 1.000 Sv de radiación y hubo que retirarla tras unas dos horas.

Si se logran comercializar sensores de imagen y circuitos de control basados en SiC, la situación cambiará por completo. La Universidad de Hiroshima avanza en la investigación y el desarrollo de un "sensor de imagen resistente a la radiación de clase MGy" como proyecto encargado por el Instituto de Investigación y Desarrollo de Fukushima (F-REI). La clase MGy supone una resistencia a la radiación más de 1.000 veces superior a la de los equipos actuales.

Si se hacen posibles inspecciones internas prolongadas y de alta precisión, se podrá conocer con exactitud la distribución de los residuos de combustible, planificar su retirada de forma eficiente y reducir la exposición de los trabajadores. El proceso de desmantelamiento, estimado en 30 o 40 años, podría acortarse de manera considerable.

De los VE a la medicina: un abanico creciente de aplicaciones

La tecnología pensada para entornos extremos también tiene efectos secundarios en nuestra vida cotidiana.

El entorno del motor de un vehículo eléctrico (VE) alcanza altas temperaturas durante la marcha. Actualmente, los semiconductores de potencia de SiC ya se utilizan en muchos VE, empezando por el Model 3 de Tesla, pero los circuitos de control siguen siendo de silicio y necesitan sistemas de refrigeración. Si se comercializan los circuitos integrados de SiC, será posible un sistema de control sin refrigeración, lo que hará los VE más ligeros y eficientes.

También se prevén aplicaciones en "lugares donde antes no podía usarse la electrónica": la supervisión del interior de los motores a reacción, la perforación en aguas profundas o los sistemas de control de las centrales geotérmicas. Además, se estudia su uso en el ámbito médico, por ejemplo en los equipos de radioterapia.

Desafíos y perspectivas

La comercialización de la tecnología de semiconductores de SiC todavía debe superar varios retos.

En primer lugar, el grado de integración. Los circuitos integrados de SiC actuales rondan los cientos de transistores, algo equivalente a los circuitos integrados de silicio de los años setenta. Si se piensa que los procesadores de los teléfonos inteligentes actuales contienen decenas de miles de millones de transistores, la diferencia es abismal. No obstante, las aplicaciones en entornos extremos no requieren necesariamente un alto grado de integración, por lo que se prevé que la comercialización avance de momento para usos específicos.

En segundo lugar, el coste de fabricación. Las obleas de SiC son más caras que las de silicio y sus procesos aún están en desarrollo. Se espera que la puesta en marcha de fundiciones de producción en masa reduzca los costes.

En tercer lugar, la demostración de la fiabilidad. Los equipos espaciales y los relacionados con la energía nuclear exigen una fiabilidad altísima. Hacen falta ensayos prolongados en condiciones reales y la acumulación de datos.

El profesor Kuroki lo resume así: "Los circuitos LSI de semiconductores de SiC se comercializarán primero en campos imposibles para el silicio, como las sondas espaciales o las centrales nucleares. Después, previsiblemente, su alcance se irá ampliando poco a poco hacia los VE".

La tecnología japonesa que expande la frontera de la humanidad

"Sostener la expansión de la frontera de la humanidad": estas palabras, contenidas en el nombre del proyecto de investigación de la Universidad de Hiroshima, no son una mera retórica grandilocuente.

Sondas que operan durante meses en la superficie de Venus. Robots capaces de inspeccionar durante largos periodos las zonas más profundas de Fukushima Daiichi. Sistemas inteligentes que se autodiagnostican dentro de un motor a reacción abrasador. Sensores que mantienen observaciones prolongadas a 10.000 metros de profundidad en el mar.

Todo esto solo es posible gracias a la tecnología de semiconductores de SiC. Y en la vanguardia de esa tecnología hay un equipo de investigación japonés.

El primer prototipo del mundo fabricado en una planta de producción en masa es el primer paso de una transferencia tecnológica que va del laboratorio a la fábrica y, de ahí, a la sociedad. La colaboración entre la universidad y la industria, articulada en torno al "Consorcio de Cocreación de Semiconductores de Setouchi", ha arrancado con fuerza y podría contribuir a la reactivación de la industria japonesa de semiconductores.

Los semiconductores de SiC que desafían los entornos extremos. Ese empeño ampliará, con seguridad, los lugares a los que la humanidad puede llegar y los mundos que puede conocer.

En Japón crecen las expectativas de que esta tecnología contribuya al desmantelamiento de Fukushima y a la futura exploración espacial. ¿Qué investigación o interés existe en su país en torno a los semiconductores capaces de operar en entornos extremos? ¿Y cómo ven ustedes la innovación tecnológica en la exploración espacial o en el ámbito nuclear? Nos encantaría conocer su opinión.

Referencias