Resumen generado por IA
El avance en la industria de semiconductores enfrenta un cambio de paradigma: mientras los nodos tecnológicos se acercan a los 2-3 nanómetros, el enfoque se desplaza de la miniaturización a la búsqueda de nuevos materiales que permitan la próxima generación de dispositivos. Expertos como Ana Cremades y Daniel Granados coinciden en que el futuro del chip dependerá tanto de la arquitectura como de la materia prima utilizada. Más allá del silicio, se exploran materiales bidimensionales (como grafeno y disulfuro de molibdeno), semiconductores de banda prohibida ancha (carburo de silicio, nitruro de galio), materiales topológicos, ferroeléctricos, de cambio de fase y óxidos funcionales, cada uno con propiedades específicas que abren posibilidades para dispositivos más eficientes, resistentes y con nuevas funcionalidades, desde la fotónica hasta la computación neuromórfica y cuántica.
Sin embargo, el desafío no solo es científico, sino también industrial y económico. Mientras la ley de Moore mantiene su escalabilidad técnica, los costos por nodo aumentan, tensionando la viabilidad económica de nuevos materiales. Superar esta barrera requiere resolver problemas de compatibilidad, dopado, estabilidad y estandarización para llevar innovaciones del laboratorio a la fabricación masiva. Además, el dominio de estos materiales avanzados es estratégico en un contexto geopolítico marcado por tensiones y políticas industriales como el CHIPS Act. Así, la ciencia de materiales se posiciona como eje fundamental para la soberanía tecnológica y la próxima revolución del chip, que se jugará en la frontera entre el átomo y la arquitectura.
Nuevos materiales y nanomateriales redefinen el futuro del chip: 2D, topológicos y ferroeléctricos impulsan la próxima generación de semiconductores
En la carrera por sostener el avance de la industria de los semiconductores, el debate sobre escalado, rendimiento y eficiencia energética ha entrado en una nueva fase. A medida que los nodos tecnológicos se acercan y atraviesan la frontera de los 2-3 nanómetros, la conversación se desplaza desde la miniaturización pura hacia una cuestión más profunda: ¿con qué materiales construiremos la próxima generación de dispositivos?
En el marco del Future Trends Forum de Semiconductores, dos expertos abordaron esta cuestión desde la ciencia de materiales y la integración industrial: Ana Cremades, Catedrática de Ciencia de Materiales de la Universidad Complutense de Madrid, y Daniel Granados, director en Madrid del CITT en Semiconductores y profesor de investigación y director en IMDEA Nanociencia.
Su diagnóstico es claro: el futuro del chip depende tanto de la arquitectura como de la materia prima que la hace posible.
Más allá del silicio: una nueva paleta de materiales
El silicio ha sido la base de la microelectrónica durante más de medio siglo, pero el ecosistema actual de semiconductores abarca campos muy diversos que exigen propiedades electrónicas, ópticas y térmicas específicas. Según explica Ana Cremades, estamos ante “una plétora de materiales” con potencial para redefinir la electrónica avanzada.
Materiales bidimensionales (2D)
Entre los candidatos más prometedores destacan los materiales bidimensionales como el grafeno, el disulfuro de molibdeno, el seleniuro de tungsteno, el nitruro de boro o el fósforo negro.
Estos materiales, formados por capas atómicas extremadamente finas, presentan una característica clave: su enorme capacidad de ajuste. Sus propiedades electrónicas y ópticas pueden modularse mediante el grosor, la tensión mecánica o el apilamiento de capas, generando fenómenos físicos emergentes como patrones de moiré, acoplamientos espín-órbita complejos y nuevos comportamientos excitónicos.
En escalas inferiores a 3 nm, donde los límites físicos del silicio se vuelven críticos, esta capacidad de “ingeniería cuántica” abre la puerta a transistores más eficientes y a dispositivos que combinan fotónica y espintrónica en un mismo sustrato.
Semiconductores de banda prohibida ancha – wide bandgap semiconductors
Materiales como el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN) o el óxido de galio están consolidando su papel en electrónica de potencia.
Su alta conductividad térmica y su elevada tensión de ruptura los convierten en componentes estratégicos para aplicaciones en automoción eléctrica, redes energéticas, aeroespacial y defensa. Además, su resistencia a la radiación y su capacidad para operar en entornos extremos amplían su relevancia en contextos industriales y geopolíticos donde la robustez es un factor crítico.
Materiales topológicos y computación cuántica
Otro frente emergente es el de los materiales topológicos, que presentan estados electrónicos protegidos en sus bordes. Estas propiedades los hacen extraordinariamente robustos frente a defectos y dispersión electrónica.
Su potencial abarca interconexiones con pérdidas energéticas casi nulas, aplicaciones en espintrónica y el desarrollo de qubits topológicos para computación cuántica. Aquí, la ciencia de materiales se convierte en un habilitador directo de arquitecturas cuánticas más estables.
Ferroeléctricos y materiales de cambio de fase
Compuestos como el óxido de hafnio ferroeléctrico o materiales de cambio de fase como el GST (germanio-antimonio-telurio) están siendo integrados en memorias no volátiles y dispositivos que combinan memoria y lógica.
Su comportamiento resistivo y ferroeléctrico permite reproducir dinámicas similares a las sinapsis neuronales, lo que los sitúa en el núcleo del desarrollo de hardware para computación neuromórfica.
Óxidos funcionales y electrónica transparente
Los óxidos, durante años considerados una promesa lejana, están evolucionando hacia aplicaciones concretas. Algunos presentan alta constante dieléctrica y gran estabilidad eléctrica, lo que los convierte en materiales fundamentales para las puertas de los transistores. Otros aportan transparencia óptica, conductividad tipo p o propiedades fotocatalíticas, habilitando desde electrónica flexible hasta aplicaciones biomédicas.
En todos los casos, el mensaje es consistente: la próxima revolución del chip se construye sobre nuevos fundamentos materiales.
Del laboratorio a la fábrica: el desafío de escalar
Si la ciencia avanza con rapidez, la integración industrial plantea retos estructurales. Daniel Granados introduce una reflexión histórica que ayuda a contextualizar el momento actual.
En el artículo original de Moore de 1965, además de la conocida curva exponencial de crecimiento del número de transistores, existía una segunda gráfica menos citada: la del coste. Esa curva mostraba una parábola con un punto óptimo, el momento en el que cambiar de nodo resultaba económicamente eficiente.
Hoy, la industria mantiene la escalabilidad técnica, pero el coste por nodo aumenta. La mitad económica de la ley de Moore se ha tensionado. Y ahí es donde los nuevos materiales deben demostrar no solo su rendimiento, sino su viabilidad a escala y coste competitivo.
Granados recuerda el intento de Motorola, a principios de los años 2000, de crecer arseniuro de galio sobre silicio. El laboratorio demostró la posibilidad. La producción industrial encontró barreras insalvables en aquel momento. Dos décadas después, la nanotecnología ha permitido superar algunos de esos obstáculos.
La lección es clara: la transición desde la ciencia hasta la fabricación masiva exige resolver compatibilidad CMOS, técnicas de dopado, resistencias de contacto, estabilidad ambiental, homogeneidad entre dispositivos y estandarización de procesos.
El escalado industrial es un desafío tecnológico, económico y organizativo.
Innovaciones habilitadoras: fotónica, integración heterogénea y computación cuántica
Los nuevos materiales no representan una simple mejora incremental. En muchos casos, son condición necesaria para que determinadas tecnologías funcionen.
En fotónica integrada, el silicio presenta limitaciones para la emisión eficiente de luz. Materiales alternativos permiten generar emisores de fotón único, esenciales para comunicaciones cuánticas y sensado cuántico.
En integración heterogénea, la combinación de materiales III-V, 2D o foto-ferroeléctricos sobre plataformas de silicio multiplica la funcionalidad de los chips. Y en computación neuromórfica, los materiales con comportamiento resistivo o ferroeléctrico permiten arquitecturas inspiradas en el cerebro con eficiencia energética radicalmente superior.
Cada avance material amplía el espacio de diseño de la industria.
Una cuestión estratégica
La evolución de los materiales no es una conversación aislada del contexto global. Las tensiones geopolíticas, las cadenas de suministro y las políticas industriales -desde el CHIPS Act estadounidense hasta la estrategia europea- sitúan el dominio de los materiales avanzados en el centro de la soberanía tecnológica.
Quien controle la capacidad de investigar, fabricar e integrar estos materiales en procesos compatibles con la industria definirá el ritmo de la próxima década.
El silicio ha sido el pilar de la era digital. La nueva etapa de los semiconductores se construye sobre una base más diversa, compleja y sofisticada. En ella, la ciencia de materiales deja de ser un componente invisible para convertirse en el eje estratégico del futuro tecnológico.
En esa frontera entre átomo y arquitectura se juega la siguiente revolución del chip.
Ver las ponencias
Para profundizar en el debate sobre nuevos materiales, nanodispositivos, integración heterogénea y los desafíos de llevar estas innovaciones del laboratorio a la industria, puedes ver las intervenciones de Ana Cremades (Universidad Complutense de Madrid) y Daniel Granados (IMDEA Nanociencia) en el Future Trends Forum de Semiconductores:
Ana Cremades: «Beyond Silicon: Expanding the Materials Palette for Microelectronics» #semiconductors
Daniel Granados: From Lab to Fab: Integration, Cost, and Test of Advanced Materials #semiconductors
En los próximos artículos de la serie seguiremos explorando la fabricación a escala, la competitividad en costes y el posicionamiento estratégico europeo en tecnologías críticas.
La ciencia de materiales es una decisión tecnológica. También es una decisión industrial y estratégica.
La próxima generación de chips empieza en el átomo.
Profesor del Departamento de Física de Materiales de la Universidad Complutense de Madrid.
