Miniaturyzacja bez granic: Politechnika Warszawska testuje reaktor klasy przemysłowej do syntezy materiałów dwuwymiarowych (2D)

Od momentu, gdy Jack Kilby w 1958 roku wynalazł i zademonstrował pierwszy układ scalony, a Gordon Moore, współzałożyciel firmy Intel, sformułował swoje słynne prawo przewidujące wykładniczy wzrost liczby tranzystorów w chipach, przemysł półprzewodnikowy wszedł na tor nieustannego rozwoju technologicznego. Miniaturyzacja, zwiększanie gęstości upakowania elementów, poprawa efektywności energetycznej — wszystko to możliwe było dzięki nieustannemu doskonaleniu technologii CMOS, której fundamentem pozostaje krzem.

Od debiutu procesora Intel 4004 po obecne układy FinFET o rozmiarach rzędu nanometrów, krzemowe technologie stanową główną siłę napędową cyfrowej rewolucji. Jednak zbliżając się do granic skali atomowej, obserwujemy coraz wyraźniejsze symptomy fizycznych ograniczeń materiału, który przez dekady dominuje w elektronice. Zjawiska takie jak tunelowanie kwantowe, fluktuacje grubości kanału, czy niepożądane efekty krótkiego kanału nie tylko zmniejszają wydajność urządzeń, ale też stanowią istotne bariery dla dalszego skalowania, ograniczając tym samym potencjał tradycyjnego rozwoju zgodnie z prawem Moore’a.

Wobec tych wyzwań branża mikroelektroniki systematycznie redefiniuje swoje kierunki rozwoju, skupiając się nie tylko na kontynuacji miniaturyzacji tranzystorów (More Moore), ale także na rozszerzeniu funkcjonalności układów (More than Moore) oraz na eksploracji zupełnie nowych paradygmatów i urządzeń (Beyond Moore).

Każda z tych ścieżek niesie ze sobą unikalne wymagania materiałowe i projektowe, ale wszystkie łączy jedno: potrzeba przezwyciężenia ograniczeń fizycznych krzemu i poszukiwania materiałów zdolnych do funkcjonowania w wymiarach atomowych, oferujących jednocześnie przewagę wydajnościową, kompatybilność procesową oraz potencjał skalowania.

W tym kontekście materiały dwuwymiarowe (2D), takie jak grafen, dichalkogenki metali przejściowych (TMDs), borofeny czy azotek boru, wyłaniają się jako jedni z najbardziej obiecujących kandydatów do roli istotnych komponentów nowej generacji urządzeń elektronicznych. Ich charakterystyczna cecha — grubość ograniczona do jednej lub kilku warstw atomowych — umożliwia skrajne miniaturyzowanie bez utraty kontroli elektrostatycznej nad kanałem przewodzącym. Dzięki temu materiały 2D oferują wyjątkową ruchliwość nośników, silną modulację prądu bramką oraz możliwość konstrukcji tranzystorów o wysokim współczynniku wzmocnienia nawet przy wymiarach subnanometrowych. Co więcej, ich strukturalna elastyczność, możliwość tworzenia heterostruktur van der Waalsa, jak również zgodność z istniejącymi platformami krzemowymi, czynią je wysoce atrakcyjnymi nie tylko w domenie More Moore, lecz także jako integracyjne uzupełnienie technologii More than Moore.

Szczególne znaczenie zyskują też w zastosowaniach takich jak sensory, układy RF, elastyczna elektronika czy biointerfejsy, gdzie ich wysoka powierzchnia czynna i tunowalne właściwości elektroniczne przekładają się na przełomowe parametry pracy.

Jednocześnie rozwój materiałów 2D nie jest pozbawiony trudności. Wyzwania związane z ich syntezą, integracją w architekturach układów, jakością granic ziaren czy niezawodnością urządzeń pozostają przedmiotem intensywnych badań. Na tym tle doświadczenia zdobyte podczas optymalizacji nanorurek węglowych, a także dojrzewająca wciąż technologia krzemowa, stanowią istotne punkty odniesienia.

Pomimo obecnych barier, prognozy — w tym te formułowane przez IMEC (niezależny instytut badawczy w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, z siedzibą w Belgii) — sugerują, że rzeczywista implementacja materiałów 2D w procesach back-end-of-the-line nastąpi jeszcze przed końcem bieżącej dekady. Równolegle, w kontekście bardziej odległych perspektyw, ich unikalne cechy kwantowe otwierają zupełnie nowe możliwości w projektowaniu urządzeń neuromorficznych i kwantowych.

Ciekawostka: Chińscy naukowcy podobno zaprojektowali pierwszy na świecie bezkrzemowy tranzystor 2D – GAAFET. Technologię oparli na bizmucie i twierdzą, że stworzony tranzystor jest najszybszym i najmniej energochłonnym tranzystorem, jaki kiedykolwiek opracowano. Podobno szybszy niż najnowsze chipy 3nm Intela i TSMC. Nowy chiński układ bezsilikonowy zapewnia prędkość większą o 40% i zużywając o 10% mniej energii. Zespół badawczy z Uniwersytetu Pekińskiego kierowany przez profesora Peng Hailina i Qiu Chenguang opublikował swoje odkrycie na łamach Nature Materials – Low-power 2D gate-all-around logics via epitaxial monolithic 3D integration.

Więcej informacji na ten temat znajdziecie w artykule ‘Changing lanes’: China heralds fastest-ever chip technology – without silicon.

Biorąc to wszystko pod uwagę, materiały 2D znajdują się obecnie w najważniejszym punkcie swojej drogi rozwojowej — pomiędzy potencjałem a dojrzałością technologiczną, pomiędzy laboratorium a fabryką.

Dla branży produkcyjnej oznacza to nie tylko konieczność śledzenia postępów w zakresie syntezy i integracji, ale także przygotowania się na zmianę paradygmatu w projektowaniu i wdrażaniu nowej generacji komponentów elektronicznych.

W świecie, w którym krzem zbliża się do granic swoich możliwości, materiały 2D nie są już tylko akademicką ciekawostką, lecz coraz wyraźniej rysującą się rzeczywistością post-Moore’owej mikroelektroniki.

LATTICE – laboratorium Politechniki Warszawskiej rozwija technologie materiałów 2D dla elektroniki

W sercu warszawskiego kampusu, na terenie Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT Politechniki Warszawskiej, powstaje coś, co może zdefiniować przyszłość elektroniki.

Laboratorium LATTICE, wyposażone w najnowocześniejszy reaktor klasy przemysłowej do syntezy materiałów dwuwymiarowych, staje się jednym z najważniejszych punktów na mapie europejskich badań nad technologiami 2D.

Dzięki metaloorganicznemu chemicznemu osadzaniu z fazy gazowej (MOCVD), możliwy staje się nie tylko wzrost materiałów 2D, ale także tworzenie zaawansowanych heterostruktur z precyzją atomową.

Współczesna elektronika dotarła do punktu, w którym ograniczenia fizyczne zaczynają blokować dalszy rozwój. Wcześniej wspominana zasada Moore’a, według której liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co dwa lata, wyznaczała tempo postępu przez dekady.

Dziś jednak, przy wielkości pojedynczego tranzystora rzędu kilku nanometrów, dalsza miniaturyzacja krzemowych komponentów staje się coraz trudniejsza i kosztowniejsza. Materiały 2D, takie jak dichalkogenki metali przejściowych czy grafen, oferują nową jakość: działają przy grubościach rzędu jednego atomu, zachowując przy tym doskonałe właściwości elektryczne i mechaniczne.

To właśnie tutaj widzimy ogromny potencjał — podkreśla Jakub Sitek. Gdy mamy do czynienia z materiałami o grubości jednego atomu, granice miniaturyzacji przesuwają się radykalnie. Co więcej, struktury 2D można układać warstwowo, tworząc heterostruktury o zupełnie nowych właściwościach fizycznych. Mówimy o prawdziwej inżynierii materiałowej w skali atomowej.

O skali wyzwania świadczy fakt, że na świecie tylko kilka ośrodków badawczych prowadzi zaawansowane prace nad przemysłową syntezą materiałów 2D metodą MOCVD. Prym wiedzie Penn State University, którego laboratoria dysponują infrastrukturą wartą dziesiątki milionów dolarów i kilkunastoletnim doświadczeniem. Polacy, choć startują z nieco mniejszym zapleczem, mają ambicję szybko skrócić dystans. Zespół z Politechniki Warszawskiej to jedyny w Polsce zespół tak mocno zaangażowany w badania nad technologią MOCVD w kontekście elektroniki, a jego działania wpisują się w globalny wyścig o przełom.

Obecnie w Laboratorium LATTICE trwają pierwsze testy reaktora. Fizycy intensywnie pracują nad stabilizacją parametrów procesu oraz charakterystyką uzyskanych materiałów. — Jesteśmy na etapie wypracowywania „złotego standardu”, który pozwoli przejść od badań podstawowych do etapu prototypów urządzeń — mówi dr Sitek. Kluczowe znaczenie ma tu nie tylko jakość warstw 2D, ale też ich powtarzalność i możliwość skalowania produkcji. Tylko wtedy możliwe będzie komercyjne zastosowanie nowych materiałów, które zrewolucjonizują segment energooszczędnej i wysokowydajnej elektroniki.

Ale ambicje zespołu sięgają dalej niż tylko kompatybilność z istniejącą technologią krzemową. — Dla przemysłu atrakcyjne może być integrowanie materiałów 2D z krzemem jako etap przejściowy, ale nas interesuje coś więcej — podkreśla dr Sitek. — Stawiamy na architektury oparte w pełni o rozwiązania 2D, w tym modele neuromorficzne, które mogą odtworzyć sposób działania ludzkiego mózgu. To zupełnie nowa kategoria układów, której nie da się efektywnie zrealizować w technologii krzemowej.

Branża produkcyjna — zwłaszcza ta zainteresowana elektroniką przyszłości — powinna uważnie śledzić rozwój wydarzeń w warszawskim laboratorium. Bo choć krzem jeszcze długo będzie podstawą większości układów, to już dziś rodzą się technologie, które w dłuższej perspektywie mogą go zastąpić. Materiały dwuwymiarowe oferują gęstość upakowania, wydajność energetyczną i właściwości fizyczne, których nie da się osiągnąć przy pomocy konwencjonalnych materiałów. W perspektywie najbliższych kilkunastu lat to właśnie one mogą stanowić podstawę nowej generacji urządzeń elektronicznych, zmieniając zasady gry nie tylko na poziomie laboratoriów, ale i w globalnym przemyśle produkcyjnym.

Zespół LATTICE tworzą: dr inż. Jakub Sitek, dr Iwona Pasternak, dr Abinash Adhikari, mgr inż. Alicja Kądziela oraz dr hab. inż. Włodzimierz Strupiński. Laboratorium LATTICE zostało stworzone jako zespół zajmujący się wzrostem materiałów 2D w ramach grupy prof. Mariusza Zdrojka na Wydziale Fizyki PW.

„Innowacyjna platforma do syntezy materiałów 2D i ich heterostruktur dla elektroniki nowej generacji” powstała dzięki dofinansowaniu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w wysokości 9 300 000 zł.