Serie "La nueva visión de Japón como gran potencia de recursos mediante la innovación de procesos" — Entrega n.º 3 ← Entrega anterior: [El futuro que transformará el semiconductor de diamante]

"Si el semiconductor de diamante es tan increíble, ¿por qué todavía no se ha generalizado?" La respuesta es simple: que el diamante sea la sustancia más dura del mundo es, en sí mismo, el mayor obstáculo.

El nivel exigido a un diamante para joyería y a uno para semiconductores es como el cielo y la tierra. En esta entrega veremos los tres muros que frenan la producción en masa, las ideas japonesas para superarlos y, de paso, algunos usos sorprendentes más allá de los semiconductores.

Los "tres muros" que bloquean la producción en masa

Muro ① Tamaño: las obleas no crecen

Para fabricar chips semiconductores de forma barata y masiva, hay que grabar miles de chips a la vez sobre un gran disco (oblea) de 15 a 30 cm de diámetro (6 a 12 pulgadas). Con silicio es algo rutinario, pero con diamante es una hazaña casi imposible.

  • Situación actual: el tamaño máximo que se puede obtener de una sola vez en diamante monocristalino es apenas unos pocos milímetros a 1 cm cuadrado
  • Unión en mosaico: se está desarrollando una técnica que consiste en colocar pequeñas láminas de diamante como baldosas y unirlas. Sin embargo, en las "juntas" los cristales se desalinean y el material se vuelve más frágil
  • Objetivo: para la aplicación práctica se necesitan obleas de alta calidad de al menos 2 pulgadas (unos 5 cm), y lo ideal sería 6 pulgadas o más

Muro ② Dureza: el procesado es demasiado difícil

El diamante es la sustancia más dura del mundo. Como material es lo máximo, pero para quien tiene que trabajarlo es una pesadilla.

  • Imposible de cortar en láminas: para convertirlo en semiconductor hay que rebanar el cristal en finas láminas y pulir la superficie hasta lograr una planitud a nivel atómico, pero existe una ley física que dice: "solo el diamante puede cortar al diamante"
  • Soluciones: se investiga el mecanizado láser y el pulido por plasma, aunque aún estamos muy lejos de la velocidad y el bajo coste que se logran con el silicio

Muro ③ Control eléctrico: fabricar el tipo N es muy difícil

Para que funcione como semiconductor hay que combinar dos tipos: "tipo P (positivo)" y "tipo N (negativo)".

  • La dificultad del tipo N: la red cristalina del diamante (una especie de jungla gym de átomos de carbono) está extremadamente compacta, y cuando se intenta introducir a la fuerza un átomo de fósforo —ligeramente más grande que el carbono— el cristal se deforma y se rompe
  • Situación actual: equipos de investigación japoneses están logrando fabricar un tipo N limpio, pero aún queda un alto listón hasta la producción estable en fábrica

Y al final, el obstáculo definitivo es el coste. Las obleas de diamante semiconductor actuales cuestan entre varios miles y decenas de miles de veces más que las de silicio. La clave para convertirse en gran potencia de recursos está en saber si se puede bajar el precio desde el uso exclusivo en satélites artificiales y radares militares hasta un nivel asequible para smartphones y vehículos eléctricos.

Cambio de enfoque: fabricar un diamante "que no necesite ser procesado"

Aquí surge una idea fascinante: "Si es demasiado duro para tallarlo, ¿por qué no crearlo directamente como una película delgada desde el principio? (Así no hay que cortarlo.)"

Métodos de fabricación "sin cortar ni tallar" se están desarrollando a toda velocidad, principalmente en instituciones de investigación japonesas.

① El "método del crep": crecimiento heteroepitaxial

En lugar de crear un bloque y luego rebanarlo, se hace crecer el diamante como una fina masa de crep sobre otro material (base).

  • Procedimiento: se usa un disco de zafiro o iridio como base y se hace crecer una película de diamante soplando gas sobre él
  • Ventaja: el resultado es directamente un "disco delgado", por lo que no se necesita la etapa de rebanado (pérdida por corte o kerf loss)
  • Logros de Japón: la Universidad de Saga y empresas como Orbray han conseguido fabricar obleas de 2 pulgadas de diámetro (unos 5 cm) con este método

② El "método del pegatina": Smart Cut / lift-off

Técnica que consiste en "despegar" solo la película delgada de una base de diamante ya fabricada.

  • Procedimiento: se implantan iones en la superficie para crear una "capa fácil de despegar", se hace crecer nuevo diamante sobre ella y al final se desprende como una pegatina
  • Ventaja: la base costosa (cristal semilla) no se consume y puede reutilizarse (copiarse) muchas veces. El coste baja drásticamente

③ El "método del molde": crecimiento selectivo

Se hace crecer el diamante solo donde se necesita.

  • Procedimiento: se coloca una máscara en el sustrato en las zonas donde no debe crecer, y el cristal solo crece en las partes donde se necesita el circuito
  • Ventaja: el resultado tiene desde el principio una forma cercana a la del dispositivo final

Eso sí, el último paso —la planarización a nivel atómico (pulido)— es inevitable. Aquí aparece una nueva tecnología que, en lugar del pulido convencional, disuelve químicamente la superficie con plasma (gas reactivo) para aplanarla.

La debilidad de "tan duro que no se puede procesar" tiene muchas posibilidades de quedar en el pasado gracias a la tecnología japonesa, y ya estamos en una etapa en la que se puede afirmar eso.

No solo semiconductores: las 4 grandes áreas de aplicación del diamante

Si el diamante va a transformar "el cerebro de la industria (los semiconductores)", sus demás aplicaciones son "el cuerpo de la industria": harán evolucionar de forma radical las infraestructuras, la medicina, el medio ambiente y la fabricación. Aquí entran en juego no solo su dureza, sino también sus propiedades de ser inocuo para el cuerpo humano, insoluble en productos químicos y transparente a todo tipo de luz.

① Medio ambiente y tratamiento del agua: el electrodo definitivo para convertir agua contaminada en agua potable

Se considera el mercado más grande después del de los semiconductores. Cuando se mezcla boro con diamante y se hace pasar corriente eléctrica (electrodo BDD), se generan sustancias con un potente poder oxidante que descomponen las impurezas del agua.

  • Descomposición de PFAS: puede descomponer y neutralizar completamente los llamados "contaminantes eternos" (sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas), que son un problema mundial en la actualidad
  • Purificación sin productos químicos: esteriliza y purifica con gran eficacia las aguas residuales industriales y el agua de ríos sin necesidad de cloro ni otros productos químicos

Si Japón logra empaquetar esta tecnología, podría convertirse en una gran potencia medioambiental exportando "infraestructura de purificación de agua con diamante" a países que sufren escasez hídrica o contaminación del agua.

② Medicina y biotecnología: tratamiento del cáncer y órganos artificiales

Como el diamante es carbono, tiene la rara característica de que el cuerpo humano no lo reconoce como cuerpo extraño (alta biocompatibilidad).

  • Nanodiamantes: se adhieren fármacos anticancerígenos a partículas ultrafinas y se introducen en el cuerpo. Se espera un sistema de administración de fármacos (drug delivery) que ignore las células sanas y lleve el medicamento solo a las células cancerosas
  • Articulaciones artificiales e implantes dentales: más duros que el titanio o la cerámica y con mejor integración ósea. Implantes que prácticamente no se desgastan nunca

③ Herramientas y fabricación: la revolución del "filo de corte"

¿Qué pasaría si las herramientas de diamante, hoy caras y reservadas a usos especiales, alcanzaran el precio de "las herramientas de hierro" gracias a la producción en masa?

  • Todas las herramientas se vuelven de diamante: desde los tornos de fábrica hasta el bricolaje doméstico
  • Cambio radical en la eficiencia productiva: el desgaste y las sustituciones se reducen drásticamente, y la velocidad de mecanizado de piezas para aviones y automóviles se multiplica varias o decenas de veces. La propia estructura de costes de la industria manufacturera cambia

④ Espacio y óptica: las ventanas y láseres más resistentes del mundo

El diamante transmite prácticamente toda la luz, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo.

  • Máquinas de corte láser de alta potencia: una lente de vidrio se rompe con un láser potente, pero una lente de diamante lo aguanta. Se hace realidad un dispositivo que corta en un instante planchas de hierro gruesas
  • Ventanas para naves espaciales y vehículos de exploración submarina: resisten la altísima presión y la radiación garantizando una visión clara. Utilizables en entornos extremos como la exploración de Venus o a 10 000 metros de profundidad en el océano

La "Era del Diamante" que traerá la producción en masa

Si el diamante artificial pudiera producirse en masa a bajo coste, la vida cambiaría así:

Ámbito Hoy (caro y limitado) Futuro tras la producción en masa
Agua Purificación con productos químicos Eliminación total de sustancias nocivas con electrodo de diamante
Medicina Quimioterapia con efectos secundarios Nanodiamantes que atacan solo la zona afectada
Herramientas Aleaciones duras que se desgastan rápido Herramientas eternas que no necesitan reemplazo
Smartphone Pantalla de vidrio (que se rompe) Pantalla de diamante (que no se rompe jamás)

Si los semiconductores se encargan de la "capacidad de cómputo", estas aplicaciones elevan el nivel de "calidad de vida física". Japón no solo dominaría la industria electrónica, sino que en medicina, medio ambiente y fabricación controlaría una "plataforma común llamada diamante".

Avance del próximo capítulo

Sin embargo, esta grandiosa visión tiene un cuello de botella fatal.

Tanto el refinado de titanio como la síntesis de diamante consumen cantidades ingentes de electricidad. Si Japón sigue siendo "un país con la electricidad cara", por mucha tecnología que tenga los números no cuadrarán, y las fábricas acabarán trasladándose a países con energía más barata.

En la entrega n.º 4 veremos las "cuatro revoluciones energéticas de producción nacional" que resolverán este punto crítico.

→ Próxima entrega: [Las cuatro revoluciones energéticas que sostendrán a la gran potencia de recursos]