(Noticias de Nanowerk) Para continuar haciendo que los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles y otros dispositivos sean más potentes y eficientes energéticamente, la industria se enfoca intensamente en identificar diseños y materiales prometedores de próxima generación para los componentes básicos clave de la electrónica moderna: los pequeños interruptores eléctricos de encendido y apagado que se conocen como interruptores de campo. Transistores de efecto (FET). Al decidir cómo asignar miles de millones de dólares para financiar los transistores de próxima generación, los inversores basarán muchas de sus decisiones en investigaciones publicadas.
Pero un cuerpo asombroso de investigación sobre FET actualmente sufre de informes inconsistentes y evaluación comparativa de resultados, riesgos crecientes de conclusiones engañosas y afirmaciones inexactas que inspiran falsas expectativas sobre el campo. Este problema y las posibles soluciones se describen en un artículo publicado hoy por un grupo internacional de expertos líderes en dispositivos semiconductores.
«La industria está tratando de determinar los materiales y diseños correctos para usar», dijo Curt Richter, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y coautor del nuevo artículo. “Quieren saber exactamente qué hacer y cómo hacerlo. Pero la industria se frustra terriblemente, nos dicen, porque ven información prometedora en una publicación y otra información prometedora en otra publicación, pero no son compatibles. No tienes forma de compararlos. Dado el enorme costo de introducir la innovación en el diseño, la industria no puede permitirse cometer un error. Lo que quieren es una evaluación comparativa consistente”.
Richter, el ex empleado del NIST Zhihui Cheng (ahora en Intel) y Aaron Franklin de la Universidad de Duke están liderando esfuerzos para crear y promover pautas para métodos de prueba consistentes y estándares de informes. Ella y más de una docena de colegas de laboratorios industriales, académicos y gubernamentales describen sus recomendaciones en un artículo publicado en naturaleza electronica («Cómo informar y calificar nuevos transistores de efecto de campo»).
El documento proporciona criterios específicos para evaluar y describir cada uno de los ocho parámetros clave críticos para los nuevos diseños de transistores de efecto de campo (ver figura).
La comunidad de investigación que trabaja en nuevos diseños FET incluye físicos, científicos de materiales, químicos, ingenieros eléctricos y más, cada uno de los cuales aborda el tema de manera un poco diferente.
«En la actualidad, cada grupo suele tener sus propias técnicas y métodos de medición», dijo Cheng. “No existen pautas o métricas consistentes para medir y reportar cualquier parámetro en particular. Por lo tanto, a menudo es muy difícil evaluar la importancia de un resultado informado y es difícil decir si los resultados están sesgados o son incompletos”.
Las inexactitudes en los informes «no son necesariamente intencionales», dijo Franklin, profesor Addy de ingeniería eléctrica e informática de Duke. “Pero el impacto que tienen los falsos positivos en el campo no puede exagerarse. Además de afectar negativamente a la industria, también afecta las decisiones de las agencias de financiación, los administradores de programas y otros que influyen en la dirección de la investigación en los laboratorios académicos y gubernamentales. Extraer correctamente nuevos conocimientos y luego mantenerlos en el contexto correcto es fundamental para lograr un progreso real.
“Realmente se trata de brindar educación, de la que actualmente se carece. No existe un libro de texto sobre cómo extraer correctamente estos parámetros para nuevos dispositivos. Uno podría imaginarse nuestro ensayo como una especie de resumen de un libro de texto de este tipo”.
Sin pautas universales, explican los autores, es demasiado fácil producir resultados engañosos. Por ejemplo, uno de los parámetros clave para el rendimiento del dispositivo es la relación entre el aumento del voltaje aplicado requerido para «encender» el transistor, es decir, para permitir que la corriente fluya a través del canal entre la fuente y los electrodos de drenaje, y la cantidad de aumento de corriente desde el voltaje en rampa.
«Hay un voltaje transitorio a medida que la corriente aumenta de menor a mayor, y no es una línea recta», dijo Richter. “Tiene pequeñas variaciones en la curvatura. Desea que la pendiente de esta curva sea lo más pronunciada posible para que pueda trabajar con voltajes más pequeños para encender la corriente. Algunos investigadores informan sobre el único punto en el que la pendiente es pronunciada, en lugar de informar sobre todo el rango de voltaje. Eso lleva a la gente a creer que se puede trabajar con menos energía”.
«Es como correr una carrera de 100 metros y solo reportar los últimos 10 metros donde corres más rápido», dijo Cheng.
O bien, los investigadores podrían atribuir un resultado positivo a las propiedades novedosas del canal «cuando en realidad están determinadas por la geometría del transistor y los materiales no semiconductores», dijo Franklin. «El informe debe realizarse en el contexto correcto de las dimensiones y materiales del transistor, en lugar de simplemente dejar todo predeterminado en el canal de semiconductores».
Si los científicos no realizan suficientes pruebas con suficientes variaciones para tener en cuenta todos los factores, los resultados pueden ser engañosos. Esto plantea dificultades para muchos laboratorios. Puede llevar muchos meses crear y caracterizar un nuevo material o diseño, e incluso producir una muestra o dos. Por lo tanto, construir suficientes variaciones de un dispositivo para permitir comparaciones confiables requiere mucho tiempo y recursos.
Pero se debe hacer un esfuerzo, dicen los autores, para evitar la desventaja de la información errónea. «A menudo, una vez que se publica un artículo, todo el mundo cree en él», dijo Richter. “Se convierte en el evangelio. Y si su investigación obtiene una respuesta diferente, tendrá que trabajar diez veces más para superar el efecto de la primera publicación».
Demasiados informes inapropiados o engañosos pueden desencadenar una especie de mentalidad de «fiebre del oro», similar a lo que sucedió a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 con una tecnología entonces incipiente: los nanotubos de carbono (CNT). Según los primeros informes entusiastas, muchos creían que se convertirían en los sucesores de los dispositivos semiconductores de silicio en la microelectrónica. Pero cuando las demandas iniciales resultaron excesivas, el interés se secó junto con la financiación.
«Los CNT son un ejemplo extremadamente instructivo», dijo Franklin. “Tanto bombo y afirmaciones exageradas llevaron a la desilusión y la frustración en lugar de un progreso constante, colaborativo y preciso. Todo un campo de investigación se ha visto afectado negativamente por afirmaciones exageradas. Después de un frenesí de actividad, el eventual rechazo condujo a un cambio masivo en la financiación de la investigación y la atención a otros materiales. Se ha tardado una década en devolver a los CNT la atención que merecen, e incluso entonces muchos sienten que esto no es suficiente”.
La evaluación comparativa y los informes consistentes pueden minimizar este tipo de efectos convulsivos y ayudar a los científicos a convencer a la comunidad de investigación de que han logrado un progreso real. «Al usar estas pautas», concluyen los autores, «debería ser posible demostrar, resaltar, discutir, comparar y evaluar el rendimiento del dispositivo de manera integral y consistente».
