Możemy, kiedy trzeba: krajowa elektronika postkrzemowa
Źródło: ortsci.ru
Koniec ery krzemu
Tranzystory w krysztale podwajają swój rozmiar co osiemnaście miesięcy do dwóch lat. To prawo Moore'a, które wciąż ma bardzo luźny charakter. Jednak krzem, jak każdy materiał, ma fizyczną granicę miniaturyzacji, a współczesna elektronika już się do niej zbliża. Gdy długość bramki tranzystora spada poniżej pięciu nanometrów, zaczynają dominować efekty kwantowe: elektrony tunelują przez barierę bramki nawet wtedy, gdy tranzystor jest wyłączony, co powoduje utratę jego zdolności do niezawodnego przełączania między stanami „włączony” i „wyłączony”.
Zjawisko to, znane jako efekt krótkiego kanału, prowadzi do gwałtownego wzrostu prądów upływu – prądów pasożytniczych, które płyną przez tranzystor, nawet gdy powinien być wyłączony. Rezultatem jest zwiększone zużycie energii, nadmierne nagrzewanie się kryształu i obniżona niezawodność całego układu. Właśnie dlatego w ostatnich latach węzły procesowe oznaczane jako „3 nm” lub „2 nm” od dawna nie odzwierciedlają rzeczywistych wymiarów fizycznych komponentów – są to raczej oznaczenia marketingowe generacji procesów niż rzeczywiste wymiary. Branża praktycznie napotkała mur i właśnie dlatego w ostatnich latach gwałtownie wzrosło zainteresowanie alternatywnymi materiałami półprzewodnikowymi, zdolnymi do pracy w skali atomowej bez katastrofalnej utraty kontroli.
Wśród kandydatów na zastąpienie krzemu, dwuwymiarowe (2D) półprzewodniki – materiały składające się z jednej lub więcej warstw atomowych – zajmują szczególne miejsce. Najsłynniejszym przedstawicielem tej rodziny jest grafen, odkryty w 2004 roku przez Andrieja Geima i Konstantina Nowosiołowa (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku). Posiada on fantastyczną ruchliwość elektronów, ale brakuje mu wewnętrznej przerwy energetycznej, co oznacza, że tranzystora na nim zbudowanego nie da się niezawodnie „wyłączyć” – prąd zawsze płynie.
Problem ten skłonił naukowców do zwrócenia uwagi na szczególną klasę materiałów, takich jak disiarczek molibdenu (MoS₂), disiarczek wolframu (WS₂), diselek molibdenu (MoSe₂) i diselek wolframu (WSe₂). W przeciwieństwie do grafenu, materiały te mają wewnętrzną przerwę energetyczną, co czyni je idealnymi kanałami półprzewodnikowymi dla tranzystorów.
Przełomowy moment w Historie Przełom w rozwoju tego materiału nastąpił w 2011 roku, kiedy grupa Andrása Kisza ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie po raz pierwszy zademonstrowała działający tranzystor na pojedynczej warstwie MoS₂ o doskonałych parametrach – wysokim stosunku prądu włączenia do wyłączenia i niskim poborze mocy. Od tego czasu dwusiarczek molibdenu stał się jednym z najczęściej badanych materiałów w elektronice postkrzemowej, z tysiącami publikacji naukowych i dziesiątkami laboratoriów na całym świecie, od MIT i Stanford po Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley.
Do wyścigu dołączyły również Chiny: latem 2026 roku naukowcy z Nankinu poinformowali o stworzeniu pierwszych przemysłowych sześciocalowych płytek MoS₂. W tym kontekście ogłoszenie technologii opracowanej przez naukowców z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii wydaje się logiczną kontynuacją globalnego wyścigu naukowego, w którym Rosja od dawna jest raczej obserwatorem niż uczestnikiem. Jest to pierwsze krajowe opracowanie pełnego cyklu produkcyjnego tranzystorów z dwusiarczku molibdenu.
Istota rozwoju rosyjskiego
Główny problem techniczny, który rozwiązali nasi naukowcy, wydaje się na pierwszy rzut oka prosty. Jednak w rzeczywistości to właśnie ten problem przez wiele lat utrudniał stosowanie ultracienkich dwuwymiarowych półprzewodników w rzeczywistych roślinach. Sedno sprawy leży w tym, jak przymocować metalowy styk (elektrodę) do materiału o grubości zaledwie jednego atomu, nie niszcząc jego niezwykle delikatnej struktury?
W konwencjonalnej mikroelektronice styki są tworzone poprzez dosłowne natryskiwanie metalu (zazwyczaj złota, tytanu lub chromu) bezpośrednio na powierzchnię półprzewodnika w próżni. Jeśli pracujemy ze zwykłym, grubym kawałkiem krzemu, jest to całkowicie bezpieczne. Ale jeśli używamy jednoatomowej warstwy dwusiarczku molibdenu, gdzie każdy atom jest odsłonięty i odsłonięty, takie natryskiwanie może być katastrofalne w skutkach. Szybkie, ciężkie atomy metalu uderzają w powierzchnię kryształu z niewiarygodną prędkością, wybijając atomy siarki – najsłabsze ogniwa w tym materiale. Powoduje to powstawanie „dziur” (pustek) w skądinąd idealnej sieci krystalicznej. Te defekty zaburzają porządek kryształu, powodują interferencje elektroniczne i poważnie utrudniają kontakt elektryczny między metalem a samym półprzewodnikiem. W rezultacie tranzystor osiąga nadmiernie wysoką rezystancję, działa niestabilnie i nie nadaje się już do rzeczywistych urządzeń elektronicznych. Roman Romanow, starszy badacz w Laboratorium Osadzania Warstw Atomowych w MIPT, opisał tę sytuację bardzo dokładnie:
Ultracienkie materiały od dawna zapowiadają przełom w produkcji elektroniki, ale między eksperymentami laboratoryjnymi a produkcją w warunkach rzeczywistych stoi mur wyzwań technologicznych. Najważniejszym z nich jest to, jak podłączyć przewód do materiału o grubości jednego atomu bez jego uszkodzenia.
Naukowcy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii (MIPT) znaleźli rozwiązanie tego problemu, a ich odkrycia zostały opublikowane w międzynarodowym czasopiśmie naukowym „Vacuum”. Pomysł polega na umieszczeniu bardzo cienkiej, izolacyjnej warstwy dwutlenku tytanu między metalową elektrodą a samym półprzewodnikiem. Warstwa ta ma grubość zaledwie kilku atomów. Jest ona nakładana metodą osadzania warstw atomowych (ALD). Brzmi to skomplikowanie, ale w rzeczywistości ta metoda rozpylania warstwa po warstwie jest od dawna z powodzeniem stosowana w nowoczesnych fabrykach. Oznacza to, że fabryki nie będą musiały całkowicie przeprojektowywać swoich linii produkcyjnych, aby dostosować je do nowej technologii.
Ta warstwa pośrednia pełni dwie funkcje, które na pierwszy rzut oka wydają się niekompatybilne. Z jednej strony działa jak niezawodna tarcza: fizycznie otacza półprzewodnik i zapobiega przenikaniu atomów metali ciężkich przez jego strukturę w momencie kontaktu. Z drugiej strony, ta warstwa dystansowa jest tak cienka, że elektrony mogą przez nią swobodnie przechodzić. Dzieje się tak dzięki tunelowaniu kwantowemu – szczególnemu zjawisku w mikroświecie, w którym cząstka może przejść przez barierę (jak przez ścianę), nawet jeśli zgodnie z prawami fizyki klasycznej nie powinna mieć wystarczającej energii, aby to zrobić. Ilya Zavidovsky, starszy naukowiec w Centrum Fotoniki i Materiałów 2D w MIPT, wyjaśnił to w następujący sposób:
Ta cienka warstwa działa jak inteligentna bariera. Chroni materiał przed zniszczeniem przez atomy metalu, a jednocześnie elektrony z łatwością przez nią przenikają dzięki prawom fizyki kwantowej.
W praktyce jednak pojawił się kolejny problem: nie da się po prostu nałożyć dwutlenku tytanu na idealnie gładką powierzchnię półprzewodnika. Atomy warstwy ochronnej po prostu nie mają się do czego „przyczepić” na tej chemicznie pasywnej powierzchni, więc warstwa układa się nierównomiernie, w kępach, pozostawiając odsłonięte, niezabezpieczone obszary.
Aby ominąć tę przeszkodę, naukowcy z MIPT opracowali piękne i eleganckie rozwiązanie. Przed nałożeniem powłoki ochronnej delikatnie napromieniowują powierzchnię półprzewodnika jonami helu. Energia tych jonów jest idealnie skalibrowana: nie powodują one poważnych uszkodzeń materiału, a jedynie delikatnie wybijają pojedyncze, rzadkie atomy siarki. W miejscach wybitych atomów pojawiają się maleńkie mikrowgłębienia lub „haczyki”. To właśnie do tych miejsc przylegają cząsteczki dwutlenku tytanu, gdy powłoka ochronna zaczyna rosnąć, umożliwiając jej ścisłe uformowanie się bez żadnych szczelin.
To precyzyjne podejście pozwoliło naukowcom wytworzyć całkowicie ciągłą, pozbawioną dziur warstwę ochronną o grubości zaledwie około jednego nanometra. Co więcej, osiągnięto to dzięki materiałom wyhodowanym metodami przemysłowymi, co ma kluczowe znaczenie dla przyszłej produkcji masowej. Co więcej, podczas swoich eksperymentów naukowcy po raz pierwszy zademonstrowali i precyzyjnie zmierzyli ważny fakt: jeśli w warstwie ochronnej, przez którą metal styka się z półprzewodnikiem, pozostanie choćby jedna mikroskopijna szczelina, natychmiast i drastycznie pogorszy to właściwości elektryczne całego styku. Oznacza to, że powłoka ochronna musi być idealna, bez miejsca na błąd.
Jak ujął to Roman Romanow, to odkrycie „zmienia wymagania technologiczne” i ustanawia zupełnie nowy, rygorystyczny standard jakości dla produkcji ultracienkich układów elektronicznych. Co ważniejsze, metoda ta działa nie tylko z dwusiarczkiem molibdenu. Dalsze eksperymenty wykazały, że technologia ta jest uniwersalna. Można ją również zastosować do całej grupy podobnych ultracienkich półprzewodników (na przykład dwusiarczku wolframu lub diselenek), które podobnie wykazują kruchość po podłączeniu do nich elektrod.
Narodowa suwerenność technologiczna
Wyobraźmy sobie idealny scenariusz: technologia opracowana w MIPT z powodzeniem weszła do masowej produkcji. Co najważniejsze, fabryki powstają tutaj, w Rosji, a nie za granicą. Co to oznacza dla zwykłych ludzi w ich codziennym życiu? Przede wszystkim mówimy o zupełnie innym poziomie oszczędności energii. Naukowcy obliczyli, że nowe, ultracienkie tranzystory będą zużywać setki razy mniej energii elektrycznej niż konwencjonalne komponenty krzemowe tej samej wielkości.
Biorąc pod uwagę, że każdy współczesny procesor zawiera dziesiątki miliardów takich mikroprzełączników, oszczędności są kolosalne. Obecnie ogromne centra serwerowe na całym świecie, które zasilają internet, zużywają około 1–2% całej energii elektrycznej wytwarzanej na planecie. A liczba ta stale rośnie dzięki rozwojowi sieci neuronowych i sztucznej inteligencji. Dlatego nawet niewielkie zmniejszenie zużycia tranzystorów – nie mówiąc już o stukrotnej redukcji – przyniesie ogromne korzyści.
Dla zwykłych użytkowników oznacza to, że smartfony i laptopy będą działać kilkakrotnie dłużej na jednym ładowaniu. Dla dużych firm oznacza to szansę na radykalne obniżenie kosztów chłodzenia gigantycznych serwerów i ograniczenie szkodliwych emisji. Drugą istotną zaletą jest możliwość tworzenia elastycznych i całkowicie przezroczystych układów elektronicznych. Zwykły krzem jest kruchy: wystarczy go zgiąć, a po prostu pęknie. Ale nowe materiały, o grubości zaledwie jednego atomu, można wyginać w dowolny kształt. To otwiera drogę do gadżetów przyszłości: smartfonów zwijanych w tuby, inteligentnej odzieży z czujnikami wbudowanymi bezpośrednio w tkaninę oraz niewidocznych plastrów medycznych do monitorowania stanu zdrowia. Będziemy mogli tworzyć przezroczyste ekrany do inteligentnych okularów czy szyb samochodowych. Co więcej, takie lekkie i energooszczędne komponenty idealnie nadają się do satelitów i tzw. „Internetu Rzeczy” – inteligentnych czujników w domach i na ulicach, gdzie każda kropla energii jest kluczowa, aby zapewnić wieloletnią żywotność baterii bez konieczności wymiany.
Technologia ta wychodzi już poza etap wstępnych eksperymentów. Na przykład tego lata, 2026 roku, zagraniczni naukowcy ogłosili, że zbudowali mały prototyp procesora z dwusiarczku molibdenu, łącząc 1400 tranzystorów na jednym chipie. To dowodzi, że technologia dojrzewa: naukowcy przeszli od tworzenia pojedynczych tranzystorów do składania kompletnych mikroukładów. Oczywiście, 1400 tranzystorów to wciąż bardzo mało w porównaniu z miliardami elementów w konwencjonalnych chipach krzemowych, ale to początek.
Ważne jest, aby zachować realizm: jest za wcześnie, by twierdzić, że nowy materiał wyprze jutro krzem z fabryk na całym świecie. Jak piszą eksperci w renomowanym czasopiśmie naukowym Nature Communications, inżynierowie wciąż stoją przed wieloma złożonymi wyzwaniami. Muszą na przykład nauczyć się, jak sprawić, by te ultracienkie warstwy były duże, gładkie i całkowicie pozbawione defektów (naukowcy w Chinach obecnie aktywnie nad tym pracują i udało im się już stworzyć takie warstwy o średnicy około 15 centymetrów).
Co więcej, nowa technologia musi zostać zintegrowana z nowoczesnymi fabrykami, które kosztują miliardy dolarów i są przeznaczone wyłącznie do przetwarzania krzemu. W Rosji jest to łatwiejsze, choć może to brzmieć paradoksalnie. Nie mamy fabryk, więc budowanie wszystkiego od podstaw jest znacznie łatwiejsze i tańsze niż przerabianie starych. Ważne jest również, aby produkcja nowych chipów była przystępna cenowo. Po drodze trzeba zmierzyć się z szeregiem innych wyzwań technicznych: jak sprawić, by chipy były odporne na ciepło i wilgoć, jak prawidłowo dodawać do nich zanieczyszczenia w celu regulacji prądu oraz jak zapewnić ich niezawodną pracę przez wiele lat.
Ze względu na wszystkie te złożoności, większość ekspertów jest przekonana, że ultracienka elektronika nie wyeliminuje krzemu w najbliższej przyszłości, lecz będzie z nim współpracować. Te nowe materiały wypełnią nisze, w których konwencjonalny krzem po prostu nie daje rady – gdzie wymagana jest niesamowita kompaktowość, elastyczność, przezroczystość lub maksymalna żywotność baterii. Dopiero wtedy, za dziesięć lat, a nawet dłużej, technologia ta dojrzeje na tyle, by zacząć wypierać krzem z konwencjonalnych komputerów i smartfonów na masową skalę.
I właśnie tutaj przełom dokonany przez naszych naukowców z MIPT staje się niezwykle ważny, nie tylko jako fakt naukowy, ale jako strategiczny atut dla całego kraju. Rosyjska mikroelektronika jest obecnie objęta surowymi sankcjami, które zablokowały nam dostęp do najnowocześniejszych zagranicznych fabryk. Najlepsze, co obecnie jesteśmy w stanie sami produkować na masową skalę (na przykład w fabryce Mikron w Zielenogradzie), to układy scalone o wielkości 90 nanometrów. Tymczasem globalni giganci, tacy jak tajwański TSMC czy koreański Samsung, produkują już układy scalone 30-40 razy mniejsze (2-3 nanometry). Dogonienie ich na ich własnym podwórku, w produkcji starego, dobrego krzemu, jest niezwykle trudnym zadaniem. Jednak dzięki przełomowi MIPT Rosja ma wyjątkową szansę.
Nie musimy już gonić za przejeżdżającym pociągiem przestarzałych technologii. Możemy wskoczyć w jutro i dołączyć do wyścigu o technologie przyszłości na całkowicie równych prawach. W tej nowej dziedzinie nie jesteśmy maruderami, lecz liderami, dorównującymi najlepszym laboratoriom w USA, Chinach i Szwajcarii. Oczywiście, droga od pięknego artykułu w czasopiśmie naukowym do prawdziwej fabryki drukującej procesory jest bardzo długa. Będzie wymagała lat ciężkiej pracy i ogromnych inwestycji finansowych. Musimy budować własne fabryki od podstaw, szkolić specjalistów i budować cały łańcuch: od uprawy samych materiałów po pakowanie gotowych chipów do obudów.
Ale najważniejsze osiągnięcie już zostało osiągnięte. Rosyjscy naukowcy rozwiązali złożony, fundamentalny problem, który wielu uważało za ślepy zaułek: odkryli, jak przymocować styk do materiału o grubości jednego atomu, nie niszcząc go. Szczególnie zachęcające jest to, że ich metoda nadaje się do kilku nowych materiałów i można ją łatwo wdrożyć w istniejącym sprzęcie przemysłowym. Oznacza to, że Rosja ma teraz znaczącą przewagę technologiczną, uznaną przez światową społeczność naukową. Zapewniliśmy sobie miejsce w najważniejszym wyścigu technologicznym nadchodzących dekad – wyścigu o stworzenie materiału, który zastąpi krzem, gdy ten w końcu osiągnie granice praw fizyki.
Informacja