Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Evolución prevista del crecimiento del mercado de los semiconductores compuestos hasta el año 2027

Los semiconductores dominan nuestro mundo y han modelado en buena medida el estilo de vida de la inmensa mayoría de los habitantes del planeta. Sin los semiconductores, muchos dispositivos y aplicaciones de los que dependemos sencillamente no existirían. Sin embargo, estos materiales pasan absolutamente desapercibidos por parte de los usuarios finales (nosotros), a pesar de que los utilizamos a diario en un sinfín de dispositivos con los que estamos tan familiarizados (los ejemplos más evidentes de esto son el teléfono móvil y el ordenador portátil).

Placa base del iPhone 13. Cada uno de los cuadrados con el borde coloreado es un chip de aplicación específica. La CPU del teléfono es el chip A15, que tiene el logo de Apple. Está fabricado por el gigante de la industria TSMC

Los semiconductores son una tecnología clave que están detrás de múltiples cadenas de suministro que a su vez, alimentan una amplia gama de sectores del mercado, entre los que se incluyen: las tecnologías de la información y las comunicaciones, la industria aeroespacial, las tecnologías sanitarias, la seguridad y la defensa, los grandes datos (Big Data), el Internet de las cosas (IoT), los primeros pasos de la Inteligencia Artificial (tan de actualidad últimamente), la eficiencia energética, la robótica y los productos de automoción.

En la actualidad, el mercado mundial de semiconductores está abrumadoramente dominado por el silicio, tal como he analizado en diversos artículos de este blog. No obstante, hay numerosos “nichos” de los mercados descritos en el párrafo anterior a los que el silicio no llega. De manera muy resumida, los de mayor importancia cuantitativa son la iluminación LED, las comunicaciones por fibra óptica, la detección de la radiación infrarroja (en defensa y en el sector aeroespacial), el radar, la electrónica de los Vehículos Eléctrico y los trenes de Alta Velocidad, los dispositivos fotovoltaicos no basados en silicio, etc. Es en estos sectores donde juegan su papel esencial los denominados semiconductores compuestos, que veremos enseguida qué son.

Las innumerables aplicaciones de los semiconductores compuestos

1. Un poco de historia

Como he mostrado en diversos artículos publicados en este blog, la primera revolución protagonizada por los semiconductores se produjo en torno al microprocesador de silicio. A principios de la década de 1970 aparecieron los primeros microprocesadores de Intel (el célebre 4004), que tenían 2.300 transistores por chip. Las mejoras en la tecnología de procesamiento permitieron a los ingenieros reducir el tamaño de los transistores para poder introducir más transistores en un chip, una tendencia que se conoce como la Ley de Moore. El aumento en el número de transistores se tradujo en incrementos sustanciales en la potencia de cálculo, con microprocesadores cada vez más potentes que manejan cada vez mayores cantidades de datos, permitiendo en los años sucesivos la digitalización de los datos, desde los mapas hasta la música, pasando por las fotografías y los vídeos, que nos acompañan en nuestro teléfono móvil y nuestro ordenador a diario.

A lo largo de la revolución del silicio, el coste de los chips no ha variado significativamente; el microprocesador de un smartphone moderno tiene alrededor de 8.000-15.000 millones de transistores y cuesta normalmente 50-500 € (el chip, no el teléfono completo). Sin embargo, el coste de la infraestructura necesaria para construir estos chips ha aumentado drásticamente. Las inversiones que debían hacer las fábricas para seguir siendo competitivas en costes aumentó a un ritmo vertiginoso. En 2002, el coste de levantar una nueva fábrica era de 2.000 millones de euros. En 2006, la factura se duplicó, se necesitaban 4.000 mil millones de euros para levantar una fábrica. En 2014, las nuevas fábricas de rondaban los 8.000 millones de euros. Hoy en día, TSMC invierte 20.000 millones de euros en sus plantas más avanzadas. En consecuencia, hay relativamente pocas fábricas en el mundo. Esta tendencia en los costes de fabricación ha hecho que la fabricación de chips de silicio se traslade mayoritariamente a fábricas situadas en la región Asia-Pacífico.

No pasó mucho tiempo desde la invención del transistor en 1947, construido sobre germanio y sus evoluciones posteriores sobre silicio, antes de que comenzara la investigación de los semiconductores compuestos, pero no fue hasta la década de 1970 cuando empezaron su andadura empresas especializadas en la comercialización de obleas y dispositivos basados en semiconductores compuestos. Hay varias razones por las que se tardó tanto en desarrollar estos semiconductores para su uso comercial: la dificultad de obtener cristales de estos materiales, el elevado número de defectos en los cristales, la mayor fragilidad de estos y el elevado coste de su fabricación, en comparación con el silicio. Aunque el coste de fabricación de los semiconductores compuestos ha bajado, sigue siendo muy superior al de las obleas de silicio. Sin embargo, las propiedades de los semiconductores compuestos permiten hacer cosas con ellos que no son posibles con el silicio, lo que justifica el coste. Lo vemos en el siguiente punto.

2. ¿Por qué y para qué necesitamos semiconductores compuestos?

Por muy impresionante que haya sido el impacto del silicio en nuestras vidas, tiene un conjunto muy limitado de propiedades que restringe su aplicación en muchas áreas tecnológicas nuevas y emergentes que exigen unas capacidades que el silicio, sencillamente, no tiene. Los semiconductores compuestos tienen propiedades que superan al silicio en tres aspectos esenciales:

- Velocidad: los semiconductores compuestos pueden funcionar a frecuencias mucho más altas en comparación con el silicio, lo que se requiere para la transferencia de datos a alta velocidad en las redes 5G, el radar, las redes de fibra óptica, etc. Estos semiconductores permiten un procesamiento de señales a una velocidad más de 100 veces superior a la del silicio. Los chips fabricados con combinaciones de materiales como el galio y el arsénico (GaAs) se encuentran en prácticamente todos los teléfonos inteligentes y permiten comunicaciones inalámbricas de alta velocidad y eficiencia.

- Luz: los semiconductores compuestos emiten y detectan la luz de manera eficiente, lo que los hace adecuados para iluminación LED, emisores y detectores en sistemas de comunicación por fibra óptica, detección de infrarrojo medio y lejano, etc. Mientras que el silicio puede detectar la luz, tiene una eficiencia de detección limitada y no puede emitir luz. Las propiedades fotónicas y de eficiencia energética que ofrecen los semiconductores compuestos, que no podrían lograrse sólo con el silicio, permitirán el desarrollo de tecnologías esenciales en áreas tales como los sistemas de seguridad y defensa, las tecnologías sanitarias, las aplicaciones aeroespaciales, etc.

- Potencia: los semiconductores compuestos pueden manejar niveles de potencia mucho más altos que el silicio con menores pérdidas, lo que significa que permiten ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos, entre otras utilidades.

Todos estos atributos se traducen en unas buenas previsiones de crecimiento para la industria de los semiconductores compuestos y aunque no sustituyen al silicio, sí lo complementan.

3. ¿Cómo podemos obtener los semiconductores compuestos?

Sólo unos pocos de los elementos de la Tabla Periódica pueden utilizarse como semiconductores, y el silicio es, con mucho, el más común, ya que es muy abundante, es fácil de producir y tiene muchas aplicaciones comerciales, como ya se ha dicho.

Un semiconductor compuesto, como su nombre indica, es un semiconductor formado por dos o más elementos. La gama de combinaciones posibles es amplia y se pueden formar aleaciones binarias (dos elementos), ternarias (tres) y cuaternarias (cuatro). A modo de anticipo, podemos decir que entre los semiconductores compuestos más utilizados se encuentran el arseniuro de galio (GaAs), el nitruro de galio (GaN), el fosfuro de indio (InP), el carburo de silicio (SiC), etc.

Parea ver y comprender cuantos y cuales son, echemos un vistazo a la zona de la tabla periódica de interés para la fabricación de semiconductores:

Columnas de la Tabla Periódica donde se sitúan los elementos de interés para la obtención de semiconductores compuestos (columnas III y V; columnas II y VI y columnas IV y VI)

Los elementos clave de la columna IV A son el germanio (Ge) y el silicio (Si). Su carácter semiconductor, estriba en el hecho de pertenecer a esa columna. El silicio y el germanio se conocen como semiconductores elementales porque son elementos químicos simples (el selenio o el arsénico son otros dos), pero hay muy pocos elementos que tengan propiedades semiconductoras y si estamos buscando más semiconductores, esto inevitablemente debe involucrar compuestos químicos.

Imaginemos ahora que en un cristal de germanio sustituimos adecuadamente la mitad de los átomos por átomos de galio y la otra mitad por átomos de arsénico. Ambos elementos son muy similares al germanio, salvo por un detalle: el galio tiene tres electrones en su última capa electrónica y el arsénico cinco. Al unirse, el enlace entre ambos no será exclusivamente covalente, si no que las diferentes afinidades electrónicas hacen que ese enlace sea parcialmente iónico, que es más fuerte que el covalente del germanio y por lo tanto, más difícil de romper. Eso da como resultado que el compuesto así formado, GaAs, también es un semiconductor, pero ahora sus propiedades son diferentes, en especial una de ellas, denominada gap de energía prohibida, que está detrás de la mayoría de las propiedades que hacen al GaAs diferente y más interesante que el Ge (y de paso el Si) para diversas aplicaciones que se pueden satisfacer con el GaAs pero no con los otros dos. Extendiendo este razonamiento a los otros elementos de las columnas III y V, formamos la familia de semiconductores compuestos III-V (GaAs, GaP, InP, etc.); si lo hacemos con las columnas II y VI tendríamos una nueva familia de compuestos (CdS, CdTe, ZnS, etc.) y un largo etcétera que iremos viendo en artículos sucesivos.

Este vídeo hace un pequeño recorrido por las principales propiedades de estos semiconductores:

Nota: una breve anotación de lo que es el gap de energía prohibida de un semiconductor

La explicación de lo que es el gap de energía prohibida de un semiconductor excede con mucho la intención de este artículo, simplemente indico que ese parámetro define la energía de los fotones que puede absorber un semiconductor, así como la energía de los fotones que podría emitir. Además, las peculiaridades de ese parámetro permiten entender por qué los electrones se mueven más rápido en unos semiconductores que en otros, por qué algunos semiconductores pueden trabajar con tensiones muy elevadas y otros no, por qué unos semiconductores absorben o emiten radiación de una forma más eficiente que otros, etc. En general, los semiconductores compuestos son más eficientes absorbiendo y emitiendo radiación que el silicio, trabajan a frecuencias más elevadas que el silicio y soportan tensiones de trabajo más altas que el silicio.