Memecahkan Had Kelajuan dalam Elektronik Setipis Atom
Penyelidik China mengumumkan satu kejayaan dalam pembuatan yang boleh membentuk semula landskap semikonduktor global. Mereka membangunkan kaedah untuk menghasilkan bahan semikonduktor dua dimensi pada kelajuan kira-kira 1,000 kali ganda lebih pantas berbanding teknik konvensional. Inovasi yang diketuai oleh saintis dari Universiti Teknologi Pertahanan Negara dan Akademi Sains China itu menangani kesesakan kritikal yang sekian lama menghalang daya maju komersial cip generasi seterusnya.
Kandungan
Pasukan penyelidik yang diketuai Zhu Mengjian, bersama rakan sekerja Ren Wencai dan Xu Chuan dari Institut Penyelidikan Logam, menerbitkan dapatan mereka dalam jurnal National Science Review pada 26 Mac. Kajian mereka menunjukkan teknik pemendapan wap kimia yang diubah suai, yang menghasilkan kepingan besar tungsten silikon nitrida pada kadar kira-kira 20 mikrometer seminit. Ini merupakan peningkatan ketara berbanding penanda aras terdahulu, yang memerlukan lima jam untuk menghasilkan hanya 0.001 milimeter.
Silikon Semakin Menghampiri Hadnya
Selama lebih lima dekad, industri elektronik mengikuti Hukum Moore, iaitu pemerhatian bahawa bilangan transistor pada cip mikro berganda kira-kira setiap dua tahun, sementara kosnya menurun. Corak ini memacu evolusi segala-galanya daripada telefon pintar hingga superkomputer, sekali gus membentuk industri bernilai trilion dolar yang berasaskan silikon. Namun, apabila dimensi transistor menghampiri skala atom, fizik asas mula menjadi penghalang.
Di bawah kira-kira 5 nanometer, elektron dalam silikon mula menunjukkan tingkah laku mekanik kuantum yang menjejaskan pengkomputeran klasik. Terowong kuantum membolehkan elektron meresap melalui penghalang penebat yang sepatutnya menghalangnya, manakala pelesapan haba semakin sukar dikawal apabila komponen disusun lebih rapat. Kekangan fizikal ini mengancam untuk menghentikan kemajuan yang menjadi asas kepada perkembangan teknologi moden.
Permintaan terhadap kuasa pengkomputeran terus meningkat dengan pantas, didorong terutamanya oleh sistem kecerdasan buatan dan model bahasa besar yang memerlukan keupayaan pemprosesan berkali ganda lebih tinggi. Menurut unjuran industri, keperluan pengkomputeran AI boleh meningkat 1,000 kali ganda menjelang 2030 berbanding paras 2023. Jurang yang semakin besar antara permintaan dengan batas fizikal silikon ini mencetuskan usaha global untuk mencari bahan alternatif yang boleh melanjutkan atau menggantikan pembuatan semikonduktor tradisional.
Potensi Bahan Dua Dimensi
Semikonduktor dua dimensi merupakan antara laluan paling menjanjikan untuk melangkaui silikon konvensional. Bahan ini, yang kadangkala hanya setebal satu atom, mengalirkan elektrik dengan cara yang berbeza secara asas daripada hablur tiga dimensi. Berbeza dengan silikon pukal, yang saluran aliran arusnya perlu dibentuk daripada bongkah pepejal, semikonduktor 2D sememangnya nipis. Ini menghapuskan keperluan untuk menghakis bahan secara fizikal bagi membentuk ciri berskala nano.
Kesan kurungan kuantum dalam lapisan ultra nipis ini sebenarnya boleh meningkatkan sifat elektrik, bukannya merosotkannya. Apabila pergerakan elektron terbatas kepada dua dimensi, tenaga minimumnya meningkat, sekali gus melebarkan jurang jalur yang menentukan sama ada transistor berada dalam keadaan hidup atau mati. Ini bermakna bahan 2D berpotensi mencapai kecekapan kuasa lebih baik dan arus bocor yang lebih rendah berbanding silikon pada skala setara, menjadikannya calon ideal untuk teknologi nod di bawah 5 nanometer.
Beberapa bahan 2D telah pun menunjukkan ciri prestasi yang kukuh. Molibdenum disulfida dan molibdenum diselenida, sebatian yang dikelaskan sebagai dikalkogenida logam peralihan, mempunyai jurang jalur semula jadi yang membolehkan bahan itu bertukar antara keadaan pengalir dan penebat. Bahan jenis-n ini, yang membawa arus elektrik melalui elektron, agak mudah dihasilkan dalam persekitaran makmal. Namun, litar bersepadu praktikal memerlukan pasangan bahan yang saling melengkapi.
Menyelesaikan Krisis Bahan Jenis-p
Seni bina transistor moden bergantung pada gabungan dua jenis semikonduktor yang berbeza: jenis-n, yang menggunakan elektron sebagai pembawa cas, dan jenis-p, yang bergantung pada lohong (ketiadaan elektron dalam kekisi hablur) untuk mengalirkan cas positif. Seni bina semikonduktor logam-oksida komplementari ini, yang dikenali sebagai CMOS, menjadi asas kepada semua logik digital masa kini. Setiap get NAND, NOR dan NOT memerlukan kedua-dua jenis ini berfungsi bersama.
Semikonduktor 2D jenis-n mudah didapati, tetapi bahan jenis-p yang stabil dan berprestasi tinggi masih sukar dihasilkan. Zhu Mengjian menyifatkan kekurangan ini sebagai kesesakan kritikal dan bidang persaingan sengit dalam penyelidikan semikonduktor. Tanpa bahan jenis-p yang boleh diharap, jurutera tidak dapat membina get logik asas yang menjadi tunjang pengkomputeran, walau sehebat mana pun bahan jenis-n.
Pasukan China mengenal pasti tungsten silikon nitrida sebagai penyelesaian kepada ketidakseimbangan ini. Bahan tersebut secara semula jadi menunjukkan ciri jenis-p tanpa memerlukan proses pendopan luaran yang sering menyebabkan ketidakstabilan. Filem yang dihasilkan menunjukkan mobiliti lohong yang tinggi dan ketumpatan arus yang kukuh, selain kekuatan mekanikal dan kekonduksian terma yang baik. Ciri-ciri ini menunjukkan bahan tersebut mampu menahan proses litografi berbilang langkah yang diperlukan untuk pembuatan cip komersial tanpa retak atau tertanggal daripada substrat.
Profesor Peng Hailin dari Universiti Peking, yang mengusahakan projek transistor 2D berasingan tetapi berkaitan menggunakan bismut oksiselenida, menjelaskan kepentingan asas keseimbangan pendopan ini. Dalam penyelidikan yang turut menyasarkan seni bina pasca-silikon itu, pasukannya mencapai kelajuan 40% lebih tinggi berbanding cip 3nm terbaharu Intel dengan penggunaan kuasa 10% lebih rendah. Kumpulan Universiti Peking itu menyifatkan pembangunan mereka sebagai menukar lorong, bukan mengambil jalan pintas, menandakan peralihan asas daripada reka bentuk berasaskan silikon.
Inovasi Emas dan Tungsten
Inovasi utama yang membolehkan peningkatan kelajuan pengeluaran ini ialah reka bentuk semula proses pemendapan wap kimia yang menghasilkan filem semikonduktor 2D. Teknik CVD tradisional mengalirkan gas prekursor ke atas substrat yang dipanaskan, sambil menunggu atom menghablur lapis demi lapis. Proses ini sejak sekian lama amat perlahan, menjadikan peralihan daripada sampel makmal berukuran milimeter kepada wafer 300 milimeter yang digunakan dalam pembuatan komersial tidak berdaya maju dari segi ekonomi.
Pasukan penyelidik menggantikan substrat pepejal standard dengan lapisan dwilapis emas dan tungsten cecair. Permukaan emas cecair menghapuskan sempadan butiran, lalu menyediakan tapak yang licin dan seragam untuk nukleasi hablur. Ini membolehkan atom prekursor meresap merentasi permukaan jauh lebih pantas berbanding pada substrat pepejal konvensional. Pada masa yang sama, lapisan tungsten di bawahnya membekalkan salah satu unsur yang diperlukan untuk membentuk filem tungsten silikon nitrida, sekali gus mengurangkan kebergantungan pada penghantaran melalui fasa gas yang sering mengehadkan kadar pertumbuhan.
Pengubahsuaian substrat ini membolehkan filem satu lapisan dihasilkan sehingga berukuran kira-kira 36 kali 18 milimeter, membawa semikonduktor 2D ke skala pembuatan wafer. Bahan yang terhasil menunjukkan prestasi elektrik, ketahanan dan keupayaan mengendalikan haba yang kukuh, yang penting untuk aplikasi cip canggih. Kelajuan pengeluaran meningkat daripada kira-kira 0.00004 inci dalam tempoh lima jam kepada kira-kira 0.0008 inci seminit, iaitu pecutan seribu kali ganda yang menarik perhatian industri.
Kaedah ini juga membolehkan sifat pendopan dikawal dengan tepat, sekali gus membolehkan jurutera melaras ciri elektrik filem yang terhasil. Kebolehsuaian ini penting untuk mengintegrasikan bahan 2D ke dalam seni bina CMOS sedia ada, yang masih menjadi langkah perlu sebelum penggunaan komersial. Keserasian dengan infrastruktur semikonduktor semasa boleh memudahkan integrasi pada masa depan, meskipun cabaran kejuruteraan besar masih wujud untuk meningkatkan pengeluaran daripada saiz demonstrasi semasa kepada wafer pengeluaran penuh.
Persaingan Global dan Implikasi Strategik
Kejayaan semikonduktor ini muncul ketika persaingan teknologi antara kuasa ekonomi utama semakin sengit. Menurut data daripada Koleksi Kandungan CAS, institusi China mencatatkan peningkatan mendadak dalam penerbitan jurnal dan paten berkaitan mikroelektronik, dengan negara itu menghasilkan banyak pemfailan harta intelek yang berorientasikan komersial. Sementara itu, Amerika Syarikat melaksanakan strategi agresif untuk mengekalkan kepimpinan melalui Akta CHIPS dan Sains, yang memperuntukkan AS$52.7 bilion bagi memperkukuh keupayaan pembuatan dan penyelidikan domestik.
Ketegangan geopolitik merumitkan rantaian bekalan global apabila kawalan eksport yang dilaksanakan pada Oktober 2022 mengehadkan akses China kepada peralatan semikonduktor canggih dan cip pengkomputeran. Sekatan ini bertujuan membendung kemajuan China dalam teknologi AI dan pertahanan, namun turut mendorong inisiatif penyelidikan domestik untuk mencapai kebebasan teknologi. Kemajuan semikonduktor 2D ini merupakan contoh tepat penyelidikan asas yang boleh membolehkan China mengatasi kesesakan peralatan konvensional dengan membangunkan platform bahan alternatif.
Pasaran peralatan semikonduktor global, yang dianggarkan bernilai kira-kira AS$111.84 bilion pada 2025, dijangka mencecah AS$268.06 bilion menjelang 2034 menurut analisis pasaran. Pertumbuhan ini didorong oleh peralihan kepada nod canggih di bawah 5 nanometer, yang menjadikan litografi ultraungu ekstrem dan bahan baharu penting. Rantau Asia Pasifik kini menguasai hampir 69% bahagian pasaran, sementara Eropah dan Amerika Utara giat melabur untuk mempelbagaikan pengeluaran dan mengurangkan kebergantungan pada rantaian bekalan yang tertumpu.
Pakar industri menyatakan bahawa peralihan daripada demonstrasi makmal kepada pengeluaran komersial memerlukan usaha bertahun-tahun dan kerjasama antara saintis bahan, jurutera proses serta ahli fizik peranti. Ketumpatan kecacatan perlu dikurangkan sehingga berbilion-bilion transistor dapat berfungsi dengan andal pada satu cip, manakala bahan baharu perlu terbukti serasi dengan proses litografi, penghakisan dan pemetalan sedia ada. Pendekatan substrat logam cecair yang dibangunkan pasukan China itu mungkin mempengaruhi prinsip kejuruteraan di seluruh industri, tanpa mengira bahan khusus yang akhirnya memasuki pengeluaran besar-besaran.
Cabaran Sebelum Pengkomersialan
Walaupun keputusan makmal menjanjikan, beberapa halangan besar masih perlu diatasi sebelum pencapaian semasa dapat menghasilkan produk pengguna dengan transistor 2D. Keseragaman pada kawasan wafer yang lebih besar menjadi semakin sukar dikekalkan apabila pengeluaran ditingkatkan. Peralihan daripada filem berukuran 36 kali 18 milimeter kepada wafer pengeluaran 300 milimeter bukan sekadar membesarkan kebuk pemendapan wap kimia; ia memerlukan ketepatan pada peringkat atom dikekalkan merentasi permukaan yang jauh lebih luas.
Pengurusan haba turut menjadi pertimbangan penting. Walaupun tungsten silikon nitrida menunjukkan sifat terma yang baik berbanding sesetengah bahan alternatif, bahan ultra nipis sememangnya mempunyai keratan rentas terhad untuk aliran haba. Apabila transistor disusun semakin rapat, haba buangan perlu disingkirkan dengan berkesan untuk mengekalkan prestasi dan mencegah kerosakan haba pada struktur yang halus. Kekuatan mekanikal bahan 2D juga mesti mampu menahan tekanan fizikal daripada proses pembuatan yang melibatkan langkah penghakisan, pemendapan dan pembersihan yang boleh merosakkan lapisan setipis atom.
Kekurangan tenaga kerja mahir menambah lagi cabaran teknikal ini. Persatuan Industri Semikonduktor mengunjurkan bahawa Amerika Syarikat sahaja bakal kekurangan kira-kira 67,000 juruteknik, jurutera dan saintis mahir menjelang 2030. Kekurangan serupa turut menjejaskan hab pembuatan di seluruh dunia, yang berpotensi memperlahankan pelaksanaan teknologi baharu walaupun teknologi itu sudah terbukti berdaya maju dalam penyelidikan.
Kebimbangan alam sekitar juga membayangi rancangan pengembangan. Sebuah kilang fabrikasi moden yang menghasilkan wafer 12 inci menggunakan kira-kira 10 juta gelen air sehari. Kemarau teruk di Taiwan pada 2021 menonjolkan kerentanan pembuatan semikonduktor terhadap kekangan sumber. Pengeluar semakin mengguna pakai teknologi kitar semula dan amalan mampan, namun penggunaan tenaga dan air yang tinggi dalam pengeluaran cip kekal sebagai pertimbangan penting ketika industri merancang pembinaan kemudahan baharu untuk menampung bahan inovatif.
Inti Pati
- Penyelidik China membangunkan teknik pemendapan wap kimia yang menghasilkan bahan semikonduktor 2D 1,000 kali ganda lebih pantas berbanding kaedah terdahulu, pada kelajuan kira-kira 20 mikrometer seminit.
- Kejayaan ini menggunakan substrat dwilapis emas dan tungsten cecair untuk menghasilkan kepingan tungsten silikon nitrida berskala wafer, sekali gus menangani kekurangan kritikal bahan 2D jenis-p berprestasi tinggi yang diperlukan untuk pasangan transistor CMOS.
- Inovasi ini muncul ketika silikon menghampiri had fizikal asas di bawah 5 nanometer, dengan terowong kuantum dan pelesapan haba mengancam untuk menghentikan peningkatan prestasi berterusan selama berdekad-dekad di bawah Hukum Moore.
- Semikonduktor dua dimensi, yang hanya setebal beberapa atom, menawarkan laluan berpotensi untuk terus mengecilkan transistor dengan kecekapan tenaga yang lebih baik berbanding silikon tiga dimensi konvensional.
- Pembangunan ini berlaku dalam suasana persaingan sengit global untuk menguasai industri semikonduktor. China meningkatkan hasil penyelidikannya, sementara Amerika Syarikat dan Eropah melabur berbilion-bilion dolar melalui Akta CHIPS bagi menjamin rantaian bekalan domestik.
- Peralihan daripada demonstrasi makmal kepada pengeluaran komersial memerlukan penyelesaian terhadap cabaran ketumpatan kecacatan, pengurusan haba, keseragaman pembuatan dan integrasi dengan infrastruktur pengeluaran sedia ada.
- Pasaran peralatan pembuatan semikonduktor dijangka berkembang daripada AS$111.84 bilion pada 2025 kepada AS$268 bilion menjelang 2034, didorong oleh permintaan terhadap pengkomputeran AI, nod canggih dan bahan baharu termasuk semikonduktor 2D.
