Nakamit ng China ang 1,000 Beses na Pagbilis sa Produksiyon ng Susunod na Henerasyong 2D Semiconductor

Paglampas sa Hangganan ng Bilis sa mga Elektronikong Kasingnipis ng Atom

Ipinahayag ng mga mananaliksik na Tsino ang isang pambihirang tagumpay sa pagmamanupaktura na maaaring magpabago sa pandaigdigang industriya ng semiconductor. Nakabuo sila ng paraang nagpapabilis nang humigit-kumulang 1,000 beses sa karaniwang mga pamamaraan ng pagpapalaki ng mga two-dimensional na materyal na semiconductor. Pinangunahan ang inobasyon ng mga siyentipiko mula sa National University of Defence Technology at Chinese Academy of Sciences. Tinutugunan nito ang isang kritikal na hadlang na matagal nang pumipigil sa pagiging komersiyal ng mga chip sa susunod na henerasyon.

Pinangunahan ni Zhu Mengjian ang pangkat ng mga mananaliksik kasama sina Ren Wencai at Xu Chuan mula sa Institute of Metal Research. Inilathala nila ang mga natuklasan sa journal na National Science Review noong Marso 26. Ipinakikita ng kanilang pag-aaral ang binagong teknik ng chemical vapor deposition na lumilikha ng malalaking sapin ng tungsten silicon nitride sa bilis na humigit-kumulang 20 mikrometro kada minuto. Malaki ang itinaas nito kumpara sa mga naunang benchmark, na nangangailangan ng limang oras para mapalaki ang 0.001 milimetro lamang.

Kung Bakit Nauubusan na ng Landas ang Silicon

Sa mahigit limang dekada, sinunod ng industriya ng elektronika ang Batas ni Moore: ang obserbasyong dumodoble halos kada dalawang taon ang bilang ng transistor sa isang microchip habang bumababa ang gastos. Itinulak ng padron na ito ang pag-unlad ng lahat mula smartphone hanggang supercomputer, at lumikha ng industriyang nagkakahalaga ng trilyong dolyar na nakabatay sa silicon. Ngunit habang papalapit sa sukat na atomiko ang mga transistor, nagsisimula nang maging hadlang ang mga batayang batas ng pisika.

Kapag bumaba sa humigit-kumulang 5 nanometro, nagsisimulang magpakita ang mga elektron sa silicon ng mga pag-uugaling quantum mechanical na sumisira sa bisa ng klasikong kompyutasyon. Dahil sa quantum tunneling, nakalulusot ang mga elektron sa mga harang na panangga na dapat sana'y pumipigil sa mga ito. Samantala, lalong nagiging mahirap pamahalaan ang pag-aalis ng init habang nagsisiksikan ang mga piyesa. Banta ang mga pisikal na limitasyong ito sa pag-unlad na naging pundasyon ng makabagong teknolohiya.

Patuloy na tumataas ang pangangailangan sa lakas ng pagkompyut, na higit na itinutulak ng mga sistema ng artificial intelligence at malalaking modelo ng wika na nangangailangan ng papalaki nang papalaking kakayahan sa pagproseso. Ayon sa mga pagtataya ng industriya, maaaring lumaki nang 1,000 beses pagsapit ng 2030 ang pangangailangan ng AI sa pagkompyut kumpara sa antas noong 2023. Dahil sa lumalaking agwat sa pagitan ng pangangailangan at pisikal na limitasyon ng silicon, nagsimula ang pandaigdigang paghahanap ng mga alternatibong materyal na maaaring magpalawig o pumalit sa tradisyonal na pagmamanupaktura ng semiconductor.

Ang Potensiyal ng mga Two-Dimensional na Materyal

Kabilang ang mga two-dimensional na semiconductor sa pinakamapangakong landas lampas sa tradisyonal na silicon. Ang mga materyal na ito, na kung minsan ay isang atom lamang ang kapal, ay nagdadala ng kuryente sa paraang lubhang naiiba sa mga three-dimensional na kristal. Di-gaya ng solidong silicon, kung saan kailangang ukitin mula sa isang bloke ang daluyan ng kuryente, likas na manipis ang mga 2D semiconductor. Dahil dito, hindi na kailangang ukitin at alisin ang materyal para makalikha ng mga tampok na may sukat na nanometro.

Maaari pang pagandahin ng mga epekto ng quantum confinement sa mga napakanipis na sapin na ito ang mga katangiang elektrikal, sa halip na pahinain ang mga ito. Kapag nalilimitahan sa paggalaw sa dalawang dimensiyon ang mga elektron, tumataas ang pinakamababa nilang enerhiya at epektibong lumalawak ang bandgap na kumokontrol kung nakabukas o nakasara ang transistor. Nangangahulugan ito na posibleng makamit ng mga 2D na materyal ang mas mahusay na paggamit ng kuryente at mas kaunting tagas ng kuryente kaysa silicon sa magkakatumbas na sukat, kaya mainam ang mga ito para sa teknolohiyang mas mababa sa 5 nanometro.

Nakapagpakita na ng mahusay na mga katangian ang ilang 2D na materyal. Ang molybdenum disulphide at molybdenum diselenide, mga compound na kabilang sa transition metal dichalcogenides, ay may likas na bandgap na nagpapahintulot sa mga ito na lumipat sa pagitan ng kondaktibo at insuladong estado. Medyo madaling magawa sa mga laboratoryo ang mga n-type na materyal na ito, na nagdadala ng kuryente sa pamamagitan ng mga elektron. Gayunman, kailangan ng mga materyal na magkaparis at magkomplemento para makagawa ng praktikal na integrated circuit.

Paglutas sa Kakulangan ng P-Type na Materyal

Nakasalalay ang mga makabagong arkitektura ng transistor sa pagsasama ng dalawang magkaibang uri ng semiconductor: n-type, na gumagamit ng mga elektron bilang tagapagdala ng karga, at p-type, na umaasa sa mga butas (ang kawalan ng mga elektron sa kristal na sala-sala) para magdala ng positibong karga. Ang arkitekturang ito, na tinatawag na complementary metal-oxide-semiconductor o CMOS, ang pundasyon ng lahat ng makabagong digital logic. Kailangan ng bawat NAND, NOR at NOT gate na gumana nang magkasabay ang dalawang uri.

Bagama't malawak nang makukuha ang mga n-type na 2D semiconductor, nanatiling mahirap matuklasan ang mga katapat na p-type na matatag at mahusay ang pagganap. Inilarawan ni Zhu Mengjian ang kakulangang ito bilang isang kritikal na hadlang at larangang matindi ang kompetisyon sa pananaliksik sa semiconductor. Kung walang maaasahang p-type na materyal, hindi makabubuo ang mga inhinyero ng mga batayang logic gate na pinagbabatayan ng kompyutasyon, gaano man kahusay ang mga n-type na materyal.

Natukoy ng pangkat na Tsino ang tungsten silicon nitride bilang solusyon sa kawalan ng balanse. Likas na nagpapakita ng p-type na katangian ang materyal na ito nang hindi nangangailangan ng panlabas na doping, na kadalasang nagdudulot ng kawalang-katatagan. Nagpakita ang mga sapin ng mataas na hole mobility at malakas na densidad ng kuryente, kasama ang matibay na mekanikal na lakas at mahusay na pagdaloy ng init. Ipinahihiwatig ng mga katangiang ito na kayang tiisin ng materyal ang maraming hakbang ng litograpiya na kailangan sa komersiyal na paggawa ng chip nang hindi nabibitak o natatanggal sa mga substrate.

Ipinaliwanag ni Propesor Peng Hailin ng Peking University ang pangunahing kahalagahan ng balanseng doping na ito habang nagtatrabaho sa hiwalay ngunit kaugnay na proyekto tungkol sa 2D transistor gamit ang bismuth oxyselenide. Sa pananaliksik na iyon, na nakatuon din sa mga arkitekturang papalit sa silicon, nakamit ng kanyang pangkat ang bilis na 40% na mas mataas kaysa sa pinakabagong 3nm chip ng Intel habang 10% na mas kaunti ang konsumo ng kuryente. Inilarawan ng pangkat ng Peking University ang kanilang pag-unlad bilang pagpapalit ng linya sa halip na pagdaan sa mga shortcut, na nagpapahiwatig ng pundamental na paglayo sa mga disenyong nakabatay sa silicon.

Ang Inobasyon sa Ginto at Tungsten

Nakasalalay ang mahalagang inobasyong nagbigay-daan sa malaking pagbilis ng produksiyon sa muling pagdidisenyo ng proseso ng chemical vapor deposition na nagpapalaki ng mga sapin ng 2D semiconductor. Sa tradisyonal na CVD, dumadaloy ang mga precursor gas sa ibabaw ng pinainit na substrate at hinihintay na magkris­tal ang mga atom nang paisa-isang sapin. Napakabagal ng prosesong ito noon pa man, kaya hindi naging praktikal sa ekonomiya ang paglipat mula sa mga sampol sa laboratoryo na ilang milimetro lamang ang laki tungo sa mga wafer na 300 milimetro na ginagamit sa komersiyal na produksiyon.

Pinalitan ng pangkat ang karaniwang solidong substrate ng sapin-saping likidong ginto at tungsten. Inaalis ng ibabaw ng likidong ginto ang mga hangganan ng butil at nagbibigay ng makinis at pantay na hulmahan para sa pagsisimula ng pagbuo ng kristal. Dahil dito, mas mabilis na nakadidiffuse sa ibabaw ang mga precursor atom kaysa sa karaniwang solidong substrate. Samantala, nagbibigay ang sapin ng tungsten sa ilalim ng isa sa mga elementong kailangan sa tungsten silicon nitride, kaya nababawasan ang pag-asa sa paghahatid ng materyal sa anyong gas, na kadalasang naglilimita sa bilis ng paglaki.

Dahil sa pagbabagong ito sa substrate, napalaki ang mga monolayer na sapin sa sukat na humigit-kumulang 36 por 18 milimetro, kaya naabot ng mga 2D semiconductor ang antas ng pagmamanupaktura sa laki ng wafer. Nagpakita ang nabuong materyal ng mahusay na pagganap sa kuryente, tibay at kakayahang humawak ng init na kailangan sa mga makabagong chip. Mula sa humigit-kumulang 0.00004 pulgada sa loob ng limang oras, umakyat ang bilis ng produksiyon sa mga 0.0008 pulgada kada minuto. Ito ang 1,000 beses na pagbilis na nakakuha ng pansin ng industriya.

Nagbibigay rin ang paraang ito ng tumpak na kontrol sa mga katangian ng doping, kaya maaaring isaayos ng mga inhinyero ang mga katangiang elektrikal ng nabuong mga sapin. Mahalaga ang kakayahang ito para maisama ang mga 2D na materyal sa mga umiiral na arkitekturang CMOS, na kinakailangang hakbang pa rin tungo sa komersiyal na paggamit. Maaaring pasimplehin ng pagiging tugma sa kasalukuyang imprastraktura ng semiconductor ang pagsasama sa hinaharap, bagama't nananatili ang malalaking hamon sa pagpalawak ng kasalukuyang laki ng demonstrasyon tungo sa mga wafer para sa buong produksiyon.

Pandaigdigang Kompetisyon at mga Istratehikong Epekto

Dumating ang tagumpay sa semiconductor sa gitna ng tumitinding kompetisyon sa teknolohiya ng mga pangunahing kapangyarihang pang-ekonomiya. Ayon sa datos ng CAS Content Collection, mabilis ang pag-angat ng mga institusyong Tsino sa dami ng nailalathalang artikulo sa journal at patent na may kaugnayan sa microelectronics. Marami ring paghahain ng intellectual property na nakatuon sa komersiyal na paggamit ang nagmumula sa bansa. Samantala, nagsikap ang Estados Unidos na panatilihin ang pamumuno nito sa pamamagitan ng CHIPS and Science Act, na naglaan ng $52.7 bilyon para palakasin ang lokal na pagmamanupaktura at kakayahan sa pananaliksik.

Pinahirap ng mga tensiyong heopolitikal ang pandaigdigang supply chain. Ipinatupad noong Oktubre 2022 ang mga kontrol sa pag-e-export na naglimita sa akses ng China sa mga makabagong kagamitan sa semiconductor at chip sa pagkompyut. Layunin ng mga restriksiyong ito na pigilan ang pag-unlad ng China sa AI at mga teknolohiya sa depensa, ngunit nagpasigla rin ang mga ito ng mga lokal na hakbangin sa pananaliksik na naglalayong makamit ang kasarinlan sa teknolohiya. Kabilang mismo sa mga batayang pananaliksik na maaaring makatulong sa China na makaiwas sa mga karaniwang hadlang sa kagamitan sa pamamagitan ng pagbuo ng alternatibong mga plataporma ng materyal ang mga pagsulong sa 2D semiconductor.

Tinatayang nagkakahalaga ng $111.84 bilyon noong 2025 ang pandaigdigang merkado ng kagamitan sa semiconductor at inaasahang aabot ito sa $268.06 bilyon pagsapit ng 2034, ayon sa pagsusuri sa merkado. Itinutulak ang paglago ng paglipat sa mga makabagong node na mas mababa sa 5 nanometro, kung saan nagiging mahalaga ang extreme ultraviolet lithography at mga bagong materyal. Nangunguna sa kasalukuyan ang rehiyong Asia-Pacific na may halos 69% ng bahagi sa merkado, bagama't malaki rin ang ipinupuhunan ng Europa at Hilagang Amerika upang pag-ibahin ang produksiyon at mabawasan ang pag-asa sa mga supply chain na nakasentro sa iilang lugar.

Ayon sa mga eksperto sa industriya, nangangailangan ng maraming taong pagsisikap at pagtutulungan ng mga siyentipiko sa materyal, inhinyero sa proseso at pisiko ng mga aparato ang paglipat mula sa demonstrasyon sa laboratoryo tungo sa komersiyal na produksiyon. Kailangang bumaba ang densidad ng depekto sa antas na mapagkakatiwalaang gagana ang bilyun-bilyong transistor sa iisang chip. Kailangan ding mapatunayang tugma ang mga bagong materyal sa mga umiiral na proseso ng litograpiya, pag-ukit at paglalagay ng metal. Maaaring makaimpluwensiya sa mga prinsipyo ng inhinyeriya sa buong industriya ang pamamaraang gumagamit ng substrate na likidong metal ng pangkat na Tsino, anuman ang partikular na materyal na tuluyang gamitin sa malawakang produksiyon.

Mga Hamon sa Landas Tungo sa Komersiyalisasyon

Sa kabila ng magagandang resulta sa laboratoryo, may ilang mabibigat na hadlang pa sa pagitan ng mga kasalukuyang tagumpay at ng mga produktong pangkonsumo na may 2D transistor. Lalong nagiging mahirap panatilihin ang pagkakapantay-pantay sa mas malalaking bahagi ng wafer habang pinalalaki ang produksiyon. Hindi sapat ang basta palakihin ang silid ng chemical vapor deposition para mapalitan ang mga sapin na 36 por 18 milimetro ng mga wafer na 300 milimetro para sa produksiyon. Kailangang mapanatili ang katumpakan sa antas ng atom sa napakalawak na ibabaw.

Isa pang mahalagang usapin ang pamamahala ng init. Bagama't kanais-nais ang mga katangiang thermal ng tungsten silicon nitride kumpara sa ilang alternatibo, likas na limitado ang lawak na dinaraanan ng init sa mga napakanipis na materyal. Habang nagsisiksikan ang mga transistor, nagiging kritikal ang pag-aalis ng sobrang init upang mapanatili ang pagganap at maiwasan ang pinsalang dulot ng init sa maseselang estruktura. Kailangan ding makayanan ng mekanikal na lakas ng mga 2D na materyal ang pisikal na puwersa ng mga proseso ng pagmamanupaktura, kabilang ang pag-ukit, pagdedeposito at paglilinis na maaaring makapinsala sa mga saping kasin nipis ng atom.

Dagdag-hamon pa ang kakulangan ng mga bihasang manggagawa. Tinataya ng Semiconductor Industry Association na kulang ang Estados Unidos lamang ng humigit-kumulang 67,000 bihasang teknisyan, inhinyero at siyentipiko pagsapit ng 2030. Apektado rin ng katulad na kakulangan ang mga sentro ng pagmamanupaktura sa buong mundo, na maaaring magpabagal sa pagpapatupad ng mga bagong teknolohiya kahit mapatunayang maaari nang gamitin ang mga ito sa pananaliksik.

Malaking usapin din ang mga alalahaning pangkapaligiran sa mga plano ng pagpapalawak. Umaabot sa humigit-kumulang 10 milyong galon ng tubig kada araw ang konsumo ng isang makabagong pabrika na gumagawa ng mga wafer na 12 pulgada. Itinampok ng matinding tagtuyot sa Taiwan noong 2021 kung gaano kadaling maapektuhan ng kakulangan sa yaman ang pagmamanupaktura ng semiconductor. Lalo nang gumagamit ang mga tagagawa ng mga teknolohiya sa pag-recycle at napapanatiling pamamaraan, ngunit nananatiling mahalagang usapin ang laki ng konsumo ng enerhiya at tubig sa paggawa ng chip habang pinag-iisipan ng industriya ang pagtatayo ng mga bagong pasilidad para sa mga bagong materyal.

Buod

• Nakabuo ang mga mananaliksik na Tsino ng teknik ng chemical vapor deposition na nagpapalaki ng mga 2D semiconductor nang 1,000 beses na mas mabilis kaysa sa mga naunang pamamaraan, sa bilis na humigit-kumulang 20 mikrometro kada minuto.
• Gumagamit ang tagumpay ng sapin-saping likidong ginto at tungsten bilang substrate para makagawa ng mga wafer-scale na sapin ng tungsten silicon nitride. Tinutugunan nito ang kritikal na kakulangan ng mahusay na 2D p-type na materyal na kailangan para sa mga pares ng transistor sa CMOS.
• Dumating ang inobasyon habang papalapit ang silicon sa mga batayang pisikal na limitasyon sa ibaba ng 5 nanometro. Banta ang quantum tunneling at pag-aalis ng init sa mga dekada ng tuluy-tuloy na pagbuti ng pagganap sa ilalim ng Batas ni Moore.
• Nag-aalok ang mga two-dimensional na semiconductor, na ilang atom lamang ang kapal, ng mga posibleng paraan upang patuloy na paliitin ang mga transistor at mapahusay ang kahusayan sa enerhiya kumpara sa tradisyonal na three-dimensional na silicon.
• Naganap ang pag-unlad sa gitna ng matinding pandaigdigang kompetisyon para sa pangingibabaw sa semiconductor. Pinalalawak ng China ang pananaliksik nito habang naglalaan ng bilyun-bilyon ang Estados Unidos at Europa sa pamamagitan ng mga CHIPS Act upang matiyak ang mga lokal na supply chain.
• Kakailanganing lutasin ang mga hamon sa dami ng depekto, pamamahala ng init, pagkakapantay-pantay ng pagmamanupaktura at pagsasama sa umiiral na imprastraktura ng paggawa bago mailipat ang mga demonstrasyon sa laboratoryo tungo sa komersiyal na produksiyon.
• Inaasahang lalaki ang merkado ng kagamitan sa pagmamanupaktura ng semiconductor mula $111.84 bilyon noong 2025 tungo sa $268 bilyon pagsapit ng 2034, dahil sa pangangailangan sa AI computing, mga makabagong node at mga bagong materyal, kabilang ang mga 2D semiconductor.