El MoS2 es el material semiconductor llamado a suceder al silicio, y fabricar una película monocapa uniforme sobre una oblea entera llevaba años siendo el escollo. Investigadores del NIMS de Japón y la Universidad de Tokio acaban de depositar una película de tres átomos de espesor sobre una oblea completa de dos pulgadas.

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), un sándwich de unos 0,65nm de espesor, es decir, tres átomos.

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 combina una alta relación de encendido/apagado con buena movilidad electrónica, un perfil adecuado 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

La producción en masa ya se ha desplazado al nodo de 2nm: TSMC arrancó la fabricación de N2 en el cuarto trimestre de 2025, y el siguiente en la fila es el nodo de 1,6nm (A16). (A16 estaba previsto inicialmente para producción en masa a finales de 2026; en su simposio tecnológico de abril de 2026, TSMC señaló que el arranque depende de los productos de sus clientes y se espera para 2027). Más allá quedan los nodos sub-1nm.

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

Entre este resultado y la producción comercial quedan varios obstáculos.

El primero es el tamaño de la oblea: hay que escalar a las obleas de 300mm estándar en la industria. También siguen abiertos el control de la interfaz entre el MoS2 y los electrodos metálicos, la obtención de dispositivos de tipo p además de los de tipo n, y la integración con las líneas CMOS existentes.

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

La presencia de Japón en la industria de semiconductores ha perdido peso en los últimos años, pero en materiales y equipos de fabricación, las capas menos vistosas que hay debajo del chip, el país sigue entre los mejores del mundo. El reparto detrás de este resultado, un instituto nacional de investigación, varias universidades y un fabricante de equipos firmando un mismo artículo, muestra dónde sobrevive esa fortaleza.

La investigación en materiales post-silicio puede decidir hacia dónde va la industria de semiconductores, y Japón está construyendo su posición en ella de forma constante. ¿Qué trabajos sobre materiales semiconductores de próxima generación hay en tu país?

Referencias