La llamada tercera revolución industrial tiene sus raíces en un descubrimiento fundamental: el transistor. Este pequeño pero poderoso dispositivo fue desarrollado en diciembre de 1947 por los científicos John Bardeen y Walter Brattain en los Laboratorios Bell. Aunque los transistores iniciales usaban germanio como elemento semiconductor, rápidamente el uso de otro material con propiedades similares lo desplazó: el silicio cristalino. Este material, descubierto casi un siglo antes (silicio cristalino, 1854), se convirtió en el corazón de esta revolución industrial gracias a su gran abundancia, fácil síntesis (método Czochralski, 1916) y excelentes propiedades; un material casi mágico.

Este avance marcó el inicio de la llamada era del Silicio, definida por una transformación tecnológica sin precedentes. Desde la década de 1950, el silicio cristalino ha sido esencial para la fabricación de transistores y circuitos integrados, convirtiéndose en la columna vertebral de todas las tecnologías digitales. Hoy en día, el silicio no solo está presente en nuestros teléfonos inteligentes y computadoras, sino también en los paneles solares que alimentan nuestras casas y ciudades.

Para entender la magnitud de esta industria, consideremos que la industria global de semiconductores generó ventas de más de 555 mil millones de dólares en 2021, vendiendo un número récord de 1.15 billones de unidades semiconductoras. Estas cifras resaltan la importancia vital del silicio en nuestra economía y vida diaria.

Sin embargo, los retos que enfrentamos en un futuro cercano indican que necesitamos mejorar nuestras tecnologías actuales. Para estas nuevas y futuristas tecnologías, se requieren materiales que superen las propiedades intrínsecas del silicio en varios aspectos: mayor velocidad de procesamiento, eficiencia en emisión de luz, sensores más precisos o celdas solares más eficientes.

Los materiales más prometedores para este propósito son los llamados materiales III-V, por su posición en la tabla periódica, incluyendo el subgrupo III-N. Estos tienen propiedades intrínsecas que superan en varios aspectos a las del silicio, pudiendo mejorar considerablemente muchos dispositivos semiconductores actuales. La solución principal ha sido intentar combinar estos materiales con el silicio, específicamente a través del crecimiento de nanoestructuras.

No obstante, el crecimiento de estos materiales presenta ciertos desafíos para lograr nanoestructuras cristalinas de alta calidad, como el crecimiento de un material polar (III-V) sobre uno no polar (silicio) y el posible estrés y fractura debido al cambio en el tamaño de la celda unitaria. Algunas metodologías para superar estos problemas incluyen el crecimiento de multicapas de estos materiales y/o el crecimiento sobre diferentes orientaciones de las obleas de silicio, distintas a la orientación estándar [001]. En esta última metodología, se han explorado experimentalmente algunas direcciones no estándar, mostrando cambios significativos. Estudios teóricos y computacionales han podido establecer el origen de las diferencias en la calidad cristalina al cambiar la orientación del sustrato. Por ejemplo, se ha observado una mejora en la calidad cristalina al crecer en obleas de silicio orientadas en la dirección [111] y un empeoramiento en el crecimiento sobre obleas orientadas en la dirección [110] del silicio.

Aunque todavía no se haya logrado superar completamente estos retos, ya se han conseguido sintetizar nanoestructuras de estos materiales que presentan propiedades cuánticas a gran escala. Estos materiales, que usualmente se conocen como estructuras cuánticas (ejemplos son los hilos y puntos cuánticos), podrían ser los materiales de una nueva era, ya que podrían ser la materia prima para el completo desarrollo de las tecnologías emergentes de la micro y nano optoelectrónica, óptica no lineal, etc.

Si bien el uso de estos materiales en la industria ya es un hecho, para poder llegar a una transición similar a la que se dio con el transistor y el silicio aún se necesita una mejora drástica en la facilidad de obtención de estos materiales, con una síntesis de alta cristalinidad más sencilla que los métodos actuales.

Así, el silicio sigue siendo fundamental en nuestra era tecnológica, pero la búsqueda de materiales complementarios y superiores continúa siendo crucial para el desarrollo de las tecnologías del futuro.

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