2D CMOS-computer ontsteekt een nieuw tijdperk van siliciumalternatieven

In de wereld van halfgeleidertechnologie, die de basis vormt van moderne elektronica, is silicium (Si) het meest gebruikte materiaal.

Het op één na meest voorkomende element op aarde na zuurstof, silicium heeft vooruitgang in halfgeleidertechnologie mogelijk gemaakt door miniaturisatie. Van microprocessoren tot automatisering, computers, smartphones en elektrische voertuigen, het heeft door het aanzienlijk verkleinen van de fysieke grootte van apparaten doorbraken in de elektronica bewerkstelligd.

Maar nu hebben schaalproblemen het noodzakelijk gemaakt om nieuwe materialen te verkennen. Hier tonen tweedimensionale (2D) materialen potentieel voor ongekende vooruitgangen in apparaatprestaties op atomair niveau.

2D-materialen zijn ultradunne nanomaterialen met een enkele laag atomen. Ze hebben een hoge graad van anisotropie en chemische functionaliteit, en hun aantrekkelijke elektronische eigenschappen maken ze bruikbaar in een breed scala aan toepassingen. Grafiet is een populair 2D-materiaal. 

Dus, met hun atomische dikte en hoge ladingsmobiliteit bieden 2D-materialen een veelbelovend alternatief. Er is ook aanzienlijke vooruitgang geboekt in wafer‑schaal groei, high‑performance veld‑effect transistors (FET), en schakelingen gebaseerd op deze materialen.

FET is een type transistor dat een elektrisch veld gebruikt om de stroom door een halfgeleider te regelen. Als een cruciaal elektronisch component in moderne elektronica fungeert een FET als een gecontroleerde schakelaar in hoogspannings‑ en hoogfrequente vermogenscircuits.

Hoewel er veel vooruitgang is geboekt, blijft het realiseren van complementary metal‑oxide‑semiconductor (CMOS) integratie een uitdaging. 

CMOS is een type technologie dat wordt gebruikt bij de fabricage van geïntegreerde schakelingen, met name in computerprocessoren, geheugenchips en andere digitale apparaten. Het helpt de stroom van elektriciteit door deze componenten te reguleren, wat cruciaal is voor een correcte werking.

Opmerkelijk is dat CMOS zowel n‑type (NMOS) als p‑type (PMOS) transistors op een complementaire manier gebruikt om logische functies te realiseren. 

N‑type transistors geleiden elektriciteit met negatief geladen elektronen als primaire ladingsdragers en laten de stroom doorstromen. In p‑type transistors zijn de meeste ladingsdragers gaten (positieve ladingen), en laten ze stroom van de voedingsspanning naar de uitgang vloeien.

In CMOS verwijst metal‑oxide‑semiconductor naar de materialen die worden gebruikt bij de constructie van de transistors: metaal voor de poort, oxide voor isolatie, en silicium halfgeleider voor het kanaal. 

Wat CMOS krachtig maakt, is dat het de creatie van complexe elektronische schakelingen op één enkele halfgeleiderchip mogelijk maakt. Bovendien verbruiken CMOS‑transistors minder stroom dan andere technologieën omdat ze alleen energie verbruiken bij het schakelen tussen toestanden (aan/uit). Daarnaast staan CMOS‑circuits bekend om hun hoge betrouwbaarheid.

Nu hebben onderzoekers van Penn State de uitdaging overwonnen om CMOS te integreren met 2D‑materialen. 

Wat ze hebben gedaan, is dat ze een 2D one instruction set computer hebben ontwikkeld op basis van CMOS‑technologie. Het maakt gebruik van de heterogene integratie van grootschalige n‑type MoS2 en p‑type WSe2 veld‑effect transistors. 

Het team slaagde erin hoge stroomsterktes en verminderde subdrempel‑lekkage te bereiken door de drempelspanningen voor zowel n‑ als p‑type 2D FET’s af te stemmen. Dit werd bereikt door de kanaallengte te schalen, waarbij ze een high‑κ poortdielektricum gebruikten en de materiaalgroei en nabewerking van het apparaat optimaliseerden.

Dit maakte circuitwerking onder 3 V mogelijk met een frequentie tot 25 kHz, evenals ultra‑lage stroomverbruik in het picowattbereik en een schakelingenergie van ongeveer 100 pJ.

Penn State’s 2D CMOS-computer drijft de atomische limiet op

Silicium is de leider in halfgeleidertechnologie, maar in tegenstelling tot dit chemische element kunnen één‑atoom‑dikke 2D‑materialen hun eigenschappen op die schaal behouden.

Na decennialang “opmerkelijke vooruitgang in elektronica te hebben gestimuleerd door continue miniaturisatie van veld‑effect transistors (FET’s) mogelijk te maken”, staat silicium voor een grote uitdaging om apparaten verder beter en kleiner te maken. 

“Naarmate siliciumapparaten krimpen, begint hun prestaties af te nemen,” merkte de studieleider, Saptarshi Das, die de Ackley Professor of Engineering en professor of Engineering Science and Mechanics aan Penn State is.

In tegenstelling behouden 2D‑materialen hun uitzonderlijke elektronische eigenschappen zelfs op atomische dikte, en bieden ze daarmee “een veelbelovend pad vooruit”. Daarom gebruikte het onderzoeksteam in hun baanbrekende werk 2D‑materialen om een computer te ontwikkelen die eenvoudige bewerkingen kan uitvoeren.

Gepubliceerd in Nature¹, heeft de studie, ondersteund door het Office of Naval Research, het Army Research Office en gedeeltelijk de U.S. National Science Foundation, de grote sprong beschreven in het realiseren van dunnere, snellere en energiezuinigere elektronica.

Zoals hierboven opgemerkt, hebben ze een CMOS‑computer gecreëerd zonder afhankelijk te zijn van silicium, een tetravalente metalloïde die eigenschappen vertoont die tussen metalen en niet‑metalen in liggen. Onderzoekers hebben het vervangen door twee verschillende 2D‑materialen om de twee soorten transistors te ontwikkelen die nodig zijn in CMOS‑computers om de elektrische stroom te regelen.

Voor n‑type transistors gebruikten ze molybdeendisulfide (MoS2), een klasse van 2D overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s) anorganische materialen met een lage wrijvingscoëfficiënt, uitstekende thermische stabiliteit en hoge slijtvastheid, onder specifieke omstandigheden. 

Voor p‑type transistors wordt wolfraamdiselenide (WSe2) gebruikt. De anorganische verbinding heeft een hexagonale kristalstructuur die vergelijkbaar is met molybdeendisulfide en staat bekend om zijn unieke elektronische eigenschappen, waaronder hoge ladingsmobiliteit, een aanzienlijke bandgap en een opmerkelijke aan‑uit‑verhouding. 

CMOS‑technologie vereist dat zowel n‑type als p‑type halfgeleiders samenwerken om hoge prestaties te bereiken bij laag stroomverbruik. Dit is echter een belangrijke uitdaging die de inspanningen om verder te gaan dan silicium belemmert. 

En hoewel studies hebben aangetoond dat op 2D‑materialen gebaseerde kleine circuits opgeschaald kunnen worden naar complexe, functionele computers, is deze prestatie nog niet bereikt.

Volgens de onderzoekers is dat de belangrijkste vooruitgang van hun werk. Voor het eerst hebben ze een CMOS‑computer volledig gebouwd uit 2D‑materialen, waarbij ze grootschalig gegroeide molybdeendisulfide‑ en wolfraamdiselenide‑transistors combineerden.

Om de transistor te fabriceren gebruikte het team een proces genaamd metal‑organic chemical vapor deposition (MOCVD). In dit proces worden de ingrediënten verdampt, waardoor een chemische reactie plaatsvindt en de producten op een substraat worden afgezet.

Met behulp van MOCVD groeide het team grote vellen molybdeendisulfide en wolfraamdiselenide en vervaardigde meer dan 1.000 van elk type transistor. 

Vervolgens kon het team door zorgvuldige aanpassingen in de apparaatfabricage en nabewerking de drempelspanningen van n‑ en p‑type transistors afstemmen, waardoor volledig functionele CMOS‑logische schakelingen konden worden ontwikkeld.

According to Subir Ghosh, the first author of the study and a doctoral student of engineering science and mechanics:

“Onze 2D CMOS‑computer werkt op lage voedingsspanningen met minimaal stroomverbruik en kan eenvoudige logische bewerkingen uitvoeren bij frequenties tot 25 kilohertz.” 

Hoewel deze werkingfrequentie laag is in vergelijking met conventionele silicium‑CMOS‑circuits, merkte Ghosh op dat hun computer nog steeds eenvoudige logische bewerkingen kan uitvoeren.

“We hebben ook een computationeel model ontwikkeld, gekalibreerd met experimentele gegevens en rekening houdend met variaties tussen apparaten, om de prestaties van onze 2D CMOS‑computer te projecteren en te vergelijken met de geavanceerde siliciumtechnologie. Hoewel er nog ruimte is voor verdere optimalisatie, markeert dit werk een belangrijke mijlpaal in het benutten van 2D‑materialen om het vakgebied van elektronica vooruit te helpen.”

– Ghosh

Dus, hoewel het een grote prestatie is, is het werk nog niet voltooid. Er is meer onderzoek nodig om de 2D CMOS‑computerbenadering verder te ontwikkelen voor bredere toepassing. Echter, benadrukt Das de snelle vooruitgang van het veld vergeleken met de ontwikkeling van siliciumtechnologie.

“Siliciumtechnologie wordt al ongeveer 80 jaar ontwikkeld, maar onderzoek naar 2D‑materialen is relatief recent, pas echt ontstaan rond 2010. We verwachten dat de ontwikkeling van 2D‑materiaalcomputers ook een geleidelijk proces zal zijn, maar dit is een sprong voorwaarts vergeleken met de traject van silicium.”

– Das

Microchips bouwen met 2D-materialen op schaal

Een paar maanden geleden meldden wetenschappers in China ook het ontwikkelen van een microchip² met molybdeendisulfide. De chip heeft 5.931 transistors, elk drie atomen dik.

Molybdeendisulfide (MoS2) wordt door wetenschappers beschouwd als een middel om de voortzetting van Moore’s Law mogelijk te maken zodra silicium geen verdere vooruitgang meer kan bieden.

“Hoewel 2D‑materialen al meer dan een decennium breed worden gepromoot, is de echte beperking voor hun huidige ontwikkeling niet de prestatie van een enkel apparaat, aangezien veel 2D‑elektronische apparaten zeer goed werken op laboratoriumniveau.”

– Wenzhong Bao, professor aan de Fudan University

De praktische toepasbaarheid van 2D‑materialen wordt betwijfeld vanwege het “gebrek aan een geïntegreerd technologisch systeem dat schaalbaar, reproduceerbaar en compatibel is met industriële processen,” voegde hij toe.

Dus creëerde het team een nieuwe microchip genaamd RV32-WUJI. Deze bevat bijna 6.000 MoS2‑transistors die zijn vervaardigd met conventionele CMOS‑technologieën, wat de overgang van laboratoriumonderzoek naar systeem‑niveau engineeringtoepassingen markeert.

De microchip is uitgerust met een RISC‑V‑architectuur die standaard 32‑bit instructies kan uitvoeren. De nieuwe processor is gebouwd op een substraat van isolerend saffier dat één transistor elektronisch van de andere scheidt. Er is ook een standaardcelbibliotheek ontwikkeld voor RV32‑WUJI, met 25 soorten logische eenheden om basisfuncties uit te voeren. Om elke stap van het proces te optimaliseren, gebruikte het team machine learning. 

De onderzoekers hebben een productierendement van 99,77 % behaald. De chip verbruikt bovendien slechts 0,43 milliwatt stroom bij het uitvoeren van rekenbewerkingen. 

Hoewel siliciumchips miljoenen keren meer transistors hebben en veel hogere werkfrequenties, zei Bao dat het nieuwe werk zich in een laboratorium bevindt, in tegenstelling tot silicium‑gebaseerde halfgeleiders, waarin de afgelopen decennia enorme R&D‑middelen zijn geïnvesteerd. Als de industrie 2D‑halfgeleiders adopteert, “geloven we dat het tempo om de prestaties van silicium te evenaren sneller zal zijn dan we ons kunnen voorstellen,” voegde hij toe.

Het 2D‑actieve materiaal molybdeendisulfide (MoS2) kreeg recent ook een platina (Pt) upgrade op atomair niveau in een nieuwe studie³ uitgevoerd door de Universiteit van Wenen en de Technische Universiteit van Wenen.

De onderzoekers embedden individuele Pt‑atomen in een ultradunne MoS2‑monolaag en bepaalden voor het eerst hun exacte posities binnen het rooster met atomprecisie via een innovatieve benadering.

Hun aanpak, die gerichte defectcreatie in de MoS2‑monolaag combineert met gecontroleerde platina‑depositie en een hoog‑contrast computationele microscopische beeldvormingstechniek, biedt volgens de onderzoekers nieuwe wegen voor het begrijpen en ontwerpen van atomische kenmerken in 2D‑systemen.

Beyond CMOS: Hybride 2D-materialen en kwantumroutes

Onderzoekers zoeken al lange tijd naar nieuwe materialen om silicium te vervangen in de volgende generatie elektronica. Deze materialen moeten hogere prestaties en lager stroomverbruik bieden, terwijl ze schaalbaar zijn, wat hen naar 2D‑materialen leidt.

Een multi‑institutionele studie, mede geleid door MIT, behaalde enkele jaren geleden twee technische doorbraken en was ook de eerste die rapporteerde dat hun methode, transition metal dichalcogenides (TMD), om halfgeleider‑materialen te groeien, apparaten sneller en energiezuiniger zou maken.

Om de nieuwe materialen te creëren, moest het team drie uitdagingen op wafer‑schaal of grote schaal overwinnen: het waarborgen van enkelvoudige kristalliniteit, verticale heterostructuren, en het voorkomen van niet‑uniforme dikte.

In tegenstelling tot 3D‑materialen, die ruwmaken en polijsten ondergaan om een gelijkmatig oppervlak te verkrijgen, laten 2D‑materialen dit proces niet toe, wat resulteert in een ongelijke oppervlakte. Dit maakt het moeilijk om grootschalig, hoogwaardig, uniform 2D‑materiaal te produceren.

Dus bouwde het team een begrensde structuur die de kinetische controle van 2D‑materialen bevordert, wat niet alleen alle uitdagingen oploste, maar ook zelf‑gedefinieerde zaadgroei vereiste voor een kortere groeitijd.

De andere technische doorbraak was het demonstreren van single‑domain heterojunctie‑TMD’s op grote schaal, laag‑voor‑laag. 

Het onderzoek naar 2D‑materialen breidt zich voortdurend uit, waarbij wetenschappers constant proberen nieuwe functionaliteiten te ontsluiten voor een meer geavanceerde toekomst. 

Enkele weken geleden creëerden materiaalkundigen van Rice University een echt 2D‑hybride⁴ door chemisch grafiet en silica‑glas, twee fundamenteel verschillende 2D‑materialen, te integreren in één verbinding genaamd glaphene.

According to the study’s first author, Sathvik Ajay Iyengar:

“De lagen rusten niet alleen op elkaar ⎯ elektronen bewegen en vormen nieuwe interacties en trillingstoestanden, waardoor eigenschappen ontstaan die geen van beide materialen afzonderlijk bezit.” 

In deze transcontinentaal inspanning werd een twee‑stappen, enkele‑reactie‑methode ontwikkeld om glaphene te groeien met een vloeibare chemische precursor die zowel koolstof als silicium bevat. Door het zuurstofgehalte tijdens het verwarmen aan te passen, konden ze eerst grafiet laten groeien en vervolgens de omstandigheden verschuiven ten gunste van de vorming van de silica‑laag.

Opmerkelijk is dat de methode kan worden toegepast op een breed scala aan 2D‑materialen, waardoor de deur wordt geopend voor de ontwikkeling van op maat gemaakte 2D‑materialen voor de volgende generatie elektronica en kwantumapparaten.

Wetenschappers in Korea hebben ook 2D‑halfgeleidende materialen gebruikt om een nieuwe kwantumtoestand te ontdekken⁵ die meer stabiele kwantumcomputers kan aandrijven. De nieuw ontdekte kwantumtoestand kan ook worden benut in een 2D‑halfgeleiderchip om kwantuminformatie betrouwbaarder te controleren. 

Kleine materialen leiden al geruime tijd tot grote vooruitgangen in kwantumcomputing, en het nieuwste onderzoek van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) opent wegen voor nieuwe herconfigureerbare apparaten voor gegevensopslag. 

“We hebben een nieuwe kwantumtoestand ontdekt, bekend als de exciton‑Floquet‑synthesetoestand, en een nieuw mechanisme voorgesteld voor kwantumverstrengeling en extractie van kwantuminformatie. Dit wordt verwacht de onderzoek naar kwantuminformatietechnologie in tweedimensionale halfgeleiders vooruit te stuwen.”

– Jaedong Lee van DGIST

Vorig jaar ontwikkelden wetenschappers van JMU Würzburg en TU Dresden een beschermende coating voor 2D‑kwantummaterialen om ze te beschermen tegen omgevingsinvloeden zonder hun revolutionaire eigenschappen te compromitteren.

De wetenschappers hadden eerder ontdekt dat extreem dunne kwantum‑halfgeleiders geavanceerde vacuümapparatuur en een specifiek substraatmateriaal nodig hebben. Het gebruik van 2D‑materiaal in elektronische componenten betekent verwijdering uit de vacuümomgeving, maar zelfs een korte blootstelling aan lucht leidt tot oxidatie en vernietigt de eigenschappen, waardoor het “onbruikbaar” wordt.

Dus ging het team op zoek naar een methode om de gevoelige laag te beschermen tegen omgevingsfactoren met behulp van een beschermende coating. Na twee jaar hadden ze succes. Het team gebruikte geavanceerde ultrahoge vacuüm‑tools om siliciumcarbide als substraat te verwarmen voor indenene.

Het team ziet dit de weg vrijmaken voor toepassingen die extreem gevoelige halfgeleider‑atomlagen omvatten. Het team identificeert nu meer van‑der‑Waals‑materialen die als beschermende lagen kunnen dienen.

Investeren in 2D‑halfgeleidertechnologie

Door actief te werken aan het aanpakken van de uitdagingen van het verkleinen van transistorafmetingen, speelt Applied Materials (AMAT ) een belangrijke rol in de ontwikkeling en opschaling van 2D‑halfgeleiders. Het is eigenlijk een van de weinige bedrijven die in staat zijn de industriële overgang naar 2D‑halfgeleiderproductie mogelijk te maken via fabricage‑apparatuur en proceschemie.

De marktprestaties van het $137‑miljard marktkapitalisatie van Applied Materials tonen ook een sterke opwaartse trend. 

Applied Materials (AMAT )

Momenteel worden de aandelen van Applied Materials verhandeld tegen $170,50, een stijging van 4,9 % YTD en slechts 33,6 % lager dan de all‑time‑high die afgelopen zomer werd bereikt. De EPS (TTM) is 8,21, en de P/E (TTM) is 20,78, terwijl het dividendrendement 1,08 % bedraagt.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, rapporteerde Applied Materials een omzet van $7,10 miljard, een stijging van 7 % jaar‑over‑jaar, voor het tweede kwartaal eindigend op 27 apr. 2025.

Deze “sterke prestatie” werd geleverd “ondanks de dynamische economische en handelsomgeving,” zei Brice Hill, Senior Vice President en CFO. Het bedrijf meldde ook geen significante veranderingen in de klantvraag.

De GAAP‑brutomarge bedroeg 49,1 % en de non‑GAAP‑brutomarge 49,2 %, terwijl de GAAP‑EPS met 28 % steeg naar $2,63 en de non‑GAAP‑EPS met 14 % naar $2,39 sprong. In deze periode genereerde het bedrijf $1,57 miljard aan kasstroom uit operationele activiteiten en keerde $2 miljard uit aan aandeelhouders via $325 miljoen aan dividenden en $1,67 miljard aan aandeleninkoop.

“De brede mogelijkheden en het verbonden productportfolio van Applied Materials zorgen voor sterke resultaten in 2025 te midden van een zeer dynamische macro‑omgeving.”

– CEO Gary Dickerson

Hij wees op high‑performance en energie‑efficiënte AI‑computing als de belangrijkste drijfveer van halfgeleiderinnovatie.

Laatste nieuws en ontwikkelingen over Applied Materials (AMAT) aandelen

Conclusie

Door ‘s werelds eerste werkende CMOD‑computers volledig te bouwen uit atomaire 2D‑materialen, hebben de onderzoekers niet alleen de langdurige dominantie van silicium in de elektronica uitgedaagd, maar ook een oplossing gepresenteerd voor het bestaande probleem om elektronische apparaten kleiner, sneller en beter te maken.

Meer dan 2.000 door het team gefabriceerde transistors zijn in staat logische bewerkingen uit te voeren op een computer, waardoor de noodzaak voor traditioneel silicium wordt weggenomen.

Hoewel het nog in de kinderschoenen staat, wijst de doorbraak op een opwindende toekomst waarin high‑performance, energie‑zuinigere en slankere elektronica, aangedreven door materialen van slechts één atoom dik, de nieuwe realiteit wordt.

Klik hier om te leren waarom gelaagde halfgeleiders de volgende sprong in geheugencapaciteit kunnen zijn.

Gerefereerde studies:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. Een complementaire tweedimensionale materiaal‑gebaseerde één‑instructieset‑computer. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. Een RISC‑V 32‑bit microprocessor gebaseerd op tweedimensionale halfgeleiders. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. Programmeerbare P‑N‑overgangen in tweedimensionale halfgeleider‑transistors. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphene: een hybridisatie van 2D silica‑glas en grafiet. Adv. Mater. 2025, Gepubliceerd op Online 28 mei 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Nieuwe kwantumtoestanden van exciton‑Floquet‑composieten: elektron‑gat‑verstrengeling en informatie. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100