MoS2, el material semiconductor "ultradelgado definitivo" destinado a suceder al silicio. Crear películas monocapa uniformes en obleas completas se consideraba durante mucho tiempo imposible. Ahora, investigadores del NIMS de Japón y la Universidad de Tokio han logrado la deposición a escala de oblea de películas de apenas tres átomos de espesor, marcando un avance importante en la tecnología de semiconductores de próxima generación.

Los límites del silicio y la búsqueda de semiconductores de próxima generación

La miniaturización de semiconductores ha seguido la Ley de Moore durante décadas, pero la tecnología convencional basada en silicio se acerca a límites físicos fundamentales. En los nodos de proceso de vanguardia actuales de 2-3nm, los canales de los transistores tienen solo unos pocos nanómetros de espesor, lo que hace que los efectos de túnel cuántico y las corrientes de fuga sean cada vez más problemáticos.

Las principales empresas de semiconductores como TSMC, Intel y Samsung están acelerando la investigación de materiales alternativos para la era post-silicio de la década de 2030 y más allá. Los candidatos más prometedores son los materiales bidimensionales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD).

¿Qué es el disulfuro de molibdeno (MoS2)?

El MoS2 (disulfuro de molibdeno) es un material representativo de los TMD. Una monocapa de MoS2 consiste en una capa de átomos de molibdeno (Mo) intercalada entre dos capas de átomos de azufre (S), una estructura tipo sándwich con un espesor de apenas unos 0,65nm, solo tres átomos de grosor.

Tradicionalmente, el MoS2 se ha utilizado a nivel industrial como lubricante. Su estructura en capas, unida por débiles fuerzas de van der Waals entre capas, permite que estas se deslicen con facilidad, lo que se traduce en un bajo coeficiente de fricción. Sin embargo, los investigadores descubrieron recientemente que, al reducirse a una monocapa, este material se convierte en un semiconductor de banda prohibida directa con excelentes propiedades eléctricas.

La monocapa de MoS2 tiene una banda prohibida de aproximadamente 1,8 eV y puede alcanzar altas relaciones de encendido/apagado y movilidad electrónica, características ideales para dispositivos de próxima generación de consumo ultrabajo.

Un avance técnico mediante la colaboración industria-academia

El 21 de enero de 2026, un grupo de investigación liderado por Yoshiki Sakuma, investigador distinguido del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS), y el profesor Kosuke Nagashio, de la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad de Tokio, publicó sus resultados en Nature Communications. En la investigación colaboraron la Universidad de Nagoya, la Universidad de Tsukuba y el gigante de equipos para semiconductores Tokyo Electron Technology Solutions.

El equipo descubrió dos mecanismos clave al hacer crecer MoS2 monocapa mediante deposición química en fase vapor de compuestos metalorgánicos (MOCVD):

Mecanismo de autoalineación: los granos cristalinos de MoS2 que crecen sobre sustratos de zafiro alinean espontáneamente sus orientaciones cristalinas al fusionarse, formando finalmente un único cristal.

Mecanismo de autolimitación: mediante precursores (gases de origen) seleccionados de forma específica, la reacción de deposición se detiene automáticamente al alcanzar el espesor de una monocapa.

Gracias al efecto sinérgico de estos dos mecanismos, el equipo logró un crecimiento epitaxial uniforme y reproducible de MoS2 monocapa sobre obleas de zafiro completas de 2 pulgadas.

Prueba de calidad: evaluación de la movilidad electrónica

Los investigadores evaluaron la calidad de las películas mediante mediciones de movilidad electrónica en función de la temperatura. En los semiconductores de alta calidad, las temperaturas más bajas reducen las vibraciones de la red (fonones), lo que suprime la dispersión de los electrones y aumenta la movilidad. En cambio, los materiales con muchos defectos muestran una dispersión dominada por los defectos, que limita las mejoras de movilidad incluso a bajas temperaturas.

Las mediciones confirmaron que las películas de MoS2 producidas con este método mostraron una movilidad notablemente mayor a temperaturas más bajas, lo que demuestra una densidad de defectos extremadamente baja y confirma la formación de películas monocristalinas de alta calidad.

La tecnología que la industria estaba esperando

Lo que hace que este logro sea importante es su naturaleza "a escala de oblea". Aunque los métodos de laboratorio como la exfoliación mecánica (el "método de la cinta adhesiva") pueden producir MoS2 monocapa de alta calidad, solo generan escamas de tamaño micrométrico, completamente inadecuadas para la fabricación de circuitos integrados a gran escala.

La industria de semiconductores ha establecido procesos para formar películas delgadas uniformes sobre obleas de gran diámetro (200-300mm) y procesar de forma simultánea miles a decenas de miles de chips. Aunque esta investigación emplea obleas de 2 pulgadas (unos 50mm), demuestra que es posible formar películas uniformes en toda la oblea mediante MOCVD, un método compatible con los procesos de fabricación industriales.

La participación de Tokyo Electron en esta investigación conjunta refleja las grandes expectativas puestas en la industrialización de esta tecnología.

El camino hacia los transistores de nodo sub-1nm

Los semiconductores más avanzados actuales están en el nodo de 3nm, pero la industria busca una miniaturización aún mayor. TSMC planea iniciar la producción en masa de su nodo de 1,6nm (A16) a finales de 2026, con los "nodos sub-1nm" en el horizonte más allá de esa fecha.

En los nodos sub-1nm, el espesor del canal del transistor llega a límites extremos en los que el silicio convencional no puede suprimir el efecto túnel de los electrones. La monocapa de MoS2, que funciona como semiconductor con apenas 0,65nm de espesor, se perfila como un material candidato destacado para lograr transistores lógicos de nodo sub-1nm.

Desafíos pendientes y perspectivas futuras

Aún quedan varios desafíos antes de que esta tecnología llegue a la comercialización.

En primer lugar, la ampliación del tamaño de la oblea: es necesario pasar a las obleas de 300mm estándar en la industria. Además, el control de la interfaz entre el MoS2 y los electrodos metálicos, la obtención de semiconductores de tipo p (y no solo de tipo n) y la integración con las líneas de fabricación CMOS existentes son cuestiones críticas.

No obstante, el descubrimiento de los mecanismos de "autoalineación" y "autolimitación" aporta una tecnología de base esencial para abordar estos desafíos. El grupo de investigación afirma que este logro contribuirá de forma significativa a los futuros circuitos integrados a gran escala, la electrónica de bajo consumo y los dispositivos optoelectrónicos.

La ciencia de materiales de Japón, a la vanguardia mundial

Esta investigación pone de relieve las fortalezas de Japón en la ciencia de materiales. El NIMS es una de las principales instituciones de investigación de materiales del mundo, y la colaboración entre universidades como la de Tokio y Tokyo Electron, un fabricante líder de equipos, hizo posible este logro.

Aunque la presencia de Japón en la industria de semiconductores ha disminuido en los últimos años, el país mantiene capacidades tecnológicas de primer nivel mundial en materiales y equipos de fabricación, los "héroes anónimos" del sector. Cómo la investigación básica de Japón moldeará el futuro de los semiconductores de próxima generación es una historia que merece seguirse.

En Japón, la investigación de materiales semiconductores de próxima generación que superan los límites del silicio avanza de forma constante. Esta tecnología podría determinar el futuro de la industria de semiconductores. ¿Se está llevando a cabo una investigación similar en tu país? ¿Cuáles son tus opiniones sobre los materiales semiconductores de próxima generación y los esfuerzos que se realizan donde vives? Nos encantaría conocer tus perspectivas.

Referencias