2D CMOS-datamaskin tenner en ny æra av silisiumalternativer

I verden av halvlederteknologi, som danner grunnlaget for moderne elektronikk, er silisium (Si) det mest brukte materialet.

Det er det nest mest forekommende elementet på jorden etter oksygen, og silisium har muliggjort fremskritt innen halvlederteknologi gjennom miniaturisering. Fra mikroprosessorer til automatisering, datamaskiner, smarttelefoner og elektriske kjøretøy har det skapt gjennombrudd i elektronikk ved å redusere den fysiske størrelsen på enheter betydelig.

Men nå har utfordringer med skalering gjort det nødvendig å utforske nye materialer. Her viser todimensjonale (2D) materialer potensial for enestående fremskritt i enhetsytelse på atomnivå.

2D-materialer er ultratynne nanomaterialer med ett enkelt lag av atomer. De har høy grad av anisotropi og kjemisk funksjonalitet, og deres attraktive elektroniske egenskaper gjør dem anvendelige i et bredt spekter av applikasjoner. Grafen er et populært 2D-materiale. 

Dermed tilbyr 2D-materialer, med sin atomtykkelse og høye bærer‑mobilitet, et lovende alternativ. Betydelige fremskritt har også blitt gjort i wafer‑skala vekst, høyytelses felt‑effekt transistorer (FET), og kretser basert på disse materialene.

FET er en type transistor som bruker et elektrisk felt til å kontrollere strømmen gjennom en halvleder. Som en avgjørende elektronisk komponent i moderne elektronikk fungerer en FET som en kontrollert bryter i høyspennings‑ og høyfrekvenskraftkretser.

Selv om mye fremgang har blitt gjort, er oppnåelse av integrasjon av komplementær metall‑oksid‑halvleder (CMOS) fortsatt en utfordring. 

CMOS er en type teknologi som brukes i produksjon av integrerte kretser, spesielt i dataprocessorer, minnebrikker og andre digitale enheter. Den bidrar til å regulere strømflyten gjennom disse komponentene, noe som er avgjørende for riktig funksjon.

Merkbart bruker CMOS både n‑type (NMOS) og p‑type (PMOS) transistorer på en komplementær måte for å oppnå logiske funksjoner. 

N‑type transistorer leder elektrisitet ved hjelp av negativt ladede elektroner som primære ladningsbærere og tillater strømmen å flyte. I p‑type transistorer er majoriteten av ladningsbærerne hull (positive ladninger), og de tillater strømmen å flyte fra strømkilden til utgangen.

I CMOS refererer metall‑oksid‑halvleder til materialene som brukes i konstruksjonen av transistorene: metall for gaten, oksid for isolasjon, og silisium‑halvleder for kanalen. 

Det som gjør CMOS kraftig er at det tillater opprettelse av komplekse elektroniske kretser på en enkelt halvlederbrikke. I tillegg bruker CMOS‑transistorer mindre strøm sammenlignet med andre teknologier fordi de kun forbruker strøm når de skifter mellom tilstander (på/av). Videre er CMOS‑kretser kjent for sin høye pålitelighet.

Nå har forskere fra Penn State overvunnet utfordringen med å integrere CMOS med 2D‑materialer. 

Det de har gjort er å utvikle en 2D én‑instruksjons‑sett‑datamaskin basert på CMOS‑teknologi. Den utnytter den heterogene integrasjonen av store flater med n‑type MoS2 og p‑type WSe2 felt‑effekt‑transistorer. 

Teamet klarte å oppnå høye drivstrømmer og redusert subterskel‑lekkasje ved å tilpasse terskelspenningene for både n‑ og p‑type 2D‑FET‑er. Dette ble oppnådd ved å skalere kanal­lengden, hvor de innlemmet et høy‑κ gate‑dielektrisk materiale og optimaliserte materialvekst og etterbehandling av enheten.

Dette muliggjorde kretsoperasjon under 3 V med en driftfrekvens på opptil 25 kHz, samt ultra‑lavt strømforbruk i pikowatt‑området og en brytningsenergi på omtrent 100 pJ.

Penn State sin 2D CMOS-datamaskin presser den atomære grensen

Silisium er ledende innen halvlederteknologi, men i motsetning til dette kjemiske elementet kan ett‑atom‑tykke 2D‑materialer beholde sine egenskaper på den skalaen.

Etter å ha drevet «bemerkelsesverdige fremskritt i elektronikk i flere tiår ved å muliggjøre kontinuerlig miniaturisering av felt‑effekt‑transistorer (FET‑er)», står silisium overfor en stor utfordring med å gjøre enheter enda bedre og mindre. 

“Etter hvert som silisium‑enheter krymper, begynner ytelsen deres å forringes,” bemerket studielederen Saptarshi Das, som er Ackley‑professor i ingeniørfag og professor i ingeniørvitenskap og mekanikk ved Penn State.

I kontrast beholder 2D‑materialer sine eksepsjonelle elektroniske egenskaper selv på atomisk tykkelse, og dermed «tilbyr en lovende vei fremover». Derfor brukte forskerteamet i det banebrytende arbeidet 2D‑materialer til å utvikle en datamaskin som er i stand til enkle operasjoner.

Publisert i Nature¹, studien, støttet delvis av Office of Naval Research, Army Research Office og U.S. National Science Foundation, beskrev det store spranget i å realisere tynnere, raskere og mer energieffektive elektroniske enheter.

Som nevnt ovenfor har de laget en CMOS‑datamaskin uten å være avhengig av silisium, et tetravalent metalloid som viser egenskaper mellom metaller og ikke‑metaller. Forskerne har erstattet det med to forskjellige 2D‑materialer for å utvikle de to typene transistorer som kreves i CMOS‑datamaskiner for å kontrollere den elektriske strømmen.

For n‑type transistorer brukte de molybdenumdisulfid (MoS2), en klasse av 2D‑overgangsmetall‑dichalcogenider (TMDC) uorganiske materialer med lav friksjonskoeffisient, utmerket termisk stabilitet og høy slitestyrke, under spesifikke forhold.

For p‑type transistorer brukes wolframdiselenid (WSe2). Den uorganiske forbindelsen har en heksagonal krystallstruktur lik molybdenumdisulfid og er kjent for sine unike elektroniske egenskaper, inkludert høy bærer‑mobilitet, et betydelig båndgap og en bemerkelsesverdig av/på‑ratio.

CMOS‑teknologi krever både n‑type og p‑type halvledere som samarbeider for å oppnå høy ytelse med lavt strømforbruk. Dette har imidlertid vært en sentral utfordring som hindrer innsatsen for å gå utover silisium.

Og selv om studier har vist at små kretser basert på 2D‑materialer kan skaleres til komplekse, funksjonelle datamaskiner, er dette gjennombruddet ennå ikke oppnådd.

Ifølge forskerne er dette den viktigste fremgangen i deres arbeid. For første gang har de bygget en CMOS‑datamaskin helt fra 2D‑materialer, ved å kombinere stort område‑vokst molybdenumdisulfid‑ og wolframdiselenid‑transistorer.

For å fremstille transistoren brukte teamet en prosess kalt metall‑organisk kjemisk dampavsetning (MOCVD). I denne prosessen fordamper ingrediensene, fremkaller en kjemisk reaksjon og avsetter produktene på et substrat.

Ved bruk av MOCVD dyrket teamet store ark av molybdenumdisulfid og wolframdiselenid og produserte mer enn 1 000 av hver type transistor. 

Deretter, gjennom nøye endringer i enhetsfremstilling og etterbehandling, klarte teamet å justere terskelspenningene for n‑ og p‑type transistorer, noe som igjen muliggjorde utviklingen av fullt funksjonelle CMOS‑logikk‑kretser.

“Vår 2D CMOS‑datamaskin opererer ved lave forsyningsspenninger med minimal strømforbruk og kan utføre enkle logiske operasjoner ved frekvenser opptil 25 kilohertz.” 

Selv om denne driftfrekvensen er lav sammenlignet med konvensjonelle silisium‑CMOS‑kretser, bemerket Ghosh at deres datamaskin fortsatt kan utføre enkle logiske operasjoner.

“Vi utviklet også en beregningsmodell, kalibrert med eksperimentelle data og som inkorporerer variasjoner mellom enheter, for å projisere ytelsen til vår 2D CMOS‑datamaskin og sammenligne den med den mest avanserte silisium‑teknologien. Selv om det fortsatt er rom for ytterligere optimalisering, markerer dette arbeidet en betydelig milepæl i utnyttelsen av 2D‑materialer for å fremme elektronikkfeltet.”

– Ghosh

Så, selv om det er en stor prestasjon, er arbeidet ennå ikke fullført. Mer forskning er nødvendig for å videreutvikle 2D‑CMOS‑datamaskin‑tilnærmingen for bredere bruk. Imidlertid understreket Das den raske utviklingen av feltet sammenlignet med utviklingen av silisiumteknologi.

“Silisiumteknologi har vært under utvikling i omtrent 80 år, men forskning på 2D‑materialer er relativt ny, og dukket først opp rundt 2010. Vi forventer at utviklingen av 2D‑materialdatamaskiner også vil være en gradvis prosess, men dette er et sprang fremover sammenlignet med silisiums utviklingskurve.”

– Das

Bygge mikrobrikker med 2D‑materialer i skala

For noen måneder siden rapporterte forskere i Kina også at de utviklet en mikrobrikke ved bruk av molybdenumdisulfid. Brikken har 5 931 transistorer, hver med en tykkelse på tre atomer.

Molybdenumdisulfid (MoS2) antas av forskere å kunne opprettholde Moores lov når silisium ikke lenger kan gi ytterligere fremgang.

“Selv om 2D‑materialer har blitt bredt promotert i mer enn et tiår, er den egentlige begrensningen for deres nåværende utvikling ikke ytelsen til noen enkelt enhet, da mange 2D‑elektroniske enheter fungerer svært bra på laboratorienivå.”

– Wenzhong Bao, professor ved Fudan University

Praktisk anvendelse av 2D‑materialer blir stilt spørsmål ved på grunn av «mangelen på et integrert teknologisystem som er skalerbart, repeterbart og kompatibelt med industrielle prosesser», la han til.

Dermed laget teamet en ny mikrobrikke kalt RV32-WUJI. Den har nesten 6 000 MoS2‑transistorer fremstilt ved bruk av konvensjonelle CMOS‑teknologier, og markerer overgangen fra laboratorieforskning til systemnivå‑ingeniørapplikasjoner.

Mikrobrikken er utstyrt med en RISC‑V‑arkitektur som kan utføre standard 32‑bits instruksjoner. Den nye prosessoren er bygget på et substrat av isolerende safir som elektronisk skiller transistorer fra hverandre. Et standardcellebibliotek har også blitt utviklet for RV32‑WUJI, som inneholder 25 typer logiske enheter for å utføre grunnleggende funksjoner. For å optimalisere hvert trinn i prosessen, brukte teamet maskinlæring. 

Forskerne har oppnådd en produksjonsutbytte på 99,77 %. Brikken bruker også kun 0,43 milliwatt strøm ved aritmetiske operasjoner. 

Selv om silisiumbrikker har millioner av ganger flere transistorer og driftshastigheter som er like mye raskere enn den nye enheten, sa Bao at det nye arbeidet er basert i et laboratorium, i motsetning til silisium‑baserte halvledere, hvor enorme mengder FoU‑ressurser har blitt investert de siste flere tiårene. Hvis industrien tar i bruk 2D‑halvledere, «tror vi at tempoet for å innhente silisium‑basert ytelse vil være raskere enn vi kan forestille oss», la han til.

Det 2D‑aktive materialet molybdenumdisulfid (MoS2) fikk nylig også en platina (Pt) oppgradering på atomnivå i en ny studie utført av Universitetet i Wien og Wien tekniske universitet.

Forskerne innlemmet individuelle Pt‑atomer på en ultratynn MoS2‑monolag og identifiserte for første gang deres eksakte posisjoner i gitteret med atompresisjon gjennom en innovativ tilnærming.

Deres tilnærming, som integrerer målrettet defektdannelse i MoS2‑monolaget, kontrollert platina‑deponering og en høy‑kontrast beregnings‑mikroskopisk avbildningsteknikk, gir ifølge forskerne nye veier for å forstå og konstruere atomskala‑funksjoner i 2D‑systemer.

Utover CMOS: Hybrid‑2D‑materialer og kvanteveier

Forskere har lenge søkt etter nye materialer for å erstatte silisium i neste generasjons elektronikk. Disse materialene må kunne levere høyere ytelse og lavere strømforbruk samtidig som de er skalerbare, noe som ofte fører dem til 2D‑materialer.

Et flerinstitusjonelt arbeid med MIT i spissen for noen år siden oppnådde faktisk to tekniske gjennombrudd og var også det første som rapporterte at deres metode, overgangsmetall‑dichalcogenider (TMD), for å dyrke halvledermaterialer ville gjøre enheter raskere og mer energieffektive.

For å lage de nye materialene måtte teamet overvinne tre utfordringer på wafer‑skala eller stor skala: sikre enkeltkrystallinitet, vertikale heterostrukturer og forhindre ujevn tykkelse.

I motsetning til 3D‑materialer, som gjennomgår ruhet og jevning for å oppnå et jevnt overflate, tillater ikke 2D‑materialer denne prosessen, noe som resulterer i en ujevn overflate. Dette gjør det vanskelig å produsere et stort, høy‑kvalitets, ensartet 2D‑materiale.

Dermed bygde teamet en innelukket struktur som fremmer kinetisk kontroll av 2D‑materialer, noe som ikke bare løste alle utfordringene, men også krevde selvdefinert såningsvekst for kortere veksttid.

Det andre tekniske gjennombruddet var å demonstrere enkelt‑domene heterojunksjon‑TMD‑er i stor skala, lag‑for‑lag. 

Forskningen på 2D‑materialer vokser stadig, med forskere som kontinuerlig prøver å låse opp nye funksjonaliteter for en mer avansert fremtid. 

For bare noen uker siden skapte materialvitenskapsfolk fra Rice University et ekte 2D‑hybrid ved kjemisk integrering av grafen og silikaglass, to fundamentalt forskjellige 2D‑materialer, til en forbindelse kalt glaphene.

“Lagene hviler ikke bare på hverandre – elektroner beveger seg og danner nye interaksjoner og vibrasjons‑tilstander, som gir opphav til egenskaper ingen av materialene har alene.” 

I dette tverrkontinentale arbeidet ble en to‑trinns, enkelt‑reaksjons‑metode utviklet for å dyrke glaphene ved bruk av en flytende kjemisk forløper som inneholder både karbon og silisium. Justering av oksygennivåene under oppvarming tillot dem først å dyrke grafen og deretter endre forholdene til fordel for dannelsen av silikaglass‑laget.

Merkbart kan metoden anvendes på et bredt spekter av 2D‑materialer, og åpner døren for utvikling av skreddersydde 2D‑materialer for neste generasjons elektronikk og kvantedispositiver.

Forskere i Korea har også brukt 2D‑semikonduktive materialer til å oppdage en ny kvantetilstand som kan drive mer stabile kvantedatamaskiner. Den nye kvantetilstanden kan også utnyttes i en 2D‑halvlederbrikke for å kontrollere kvanteinformasjon mer pålitelig.

Små materialer har i en tid nå ledet store fremskritt innen kvantedatabehandling, og den nyeste forskningen fra Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) åpner muligheter for nye rekonfigurerbare enheter for datalagring. 

“Vi har oppdaget en ny kvantetilstand, kjent som exciton‑Floquet‑syntesetilstand, og foreslått en ny mekanisme for kvante‑sammenfiltring og kvante‑informasjonsekstraksjon. Dette forventes å drive frem forskning på kvante‑informasjonsteknologi i todimensjonale halvledere.”

– Jaedong Lee fra DGIST

I fjor utviklet forskere fra JMU Würzburg og TU Dresden imidlertid en beskyttende belegg for 2D‑kvantematerialer for å beskytte dem mot miljøpåvirkninger uten å gå på kompromiss med deres revolusjonerende egenskaper. 

Forskerne hadde tidligere oppdaget at ekstremt tynne kvante‑halvledere krever sofistikert vakuumutstyr og et spesifikt substratmateriale. Å bruke 2D‑materialer i elektroniske komponenter innebærer fjerning fra vakuummiljøet, men selv en kort eksponering for luft fører til oksidasjon og ødelegger egenskapene, “gjør dem ubrukelige”.

Dermed fortsatte teamet med å finne en metode for å beskytte det følsomme laget mot miljøpåvirkninger ved hjelp av et beskyttende belegg. Etter to år oppnådde de suksess. Teamet brukte avanserte ultrahøyt‑vakuum‑verktøy for å eksperimentere med oppvarming av silisiumkarbid som substrat for indenene.

Teamet ser dette som en vei for applikasjoner som involverer ekstremt følsomme atomlag i halvledere. Teamet identifiserer nå flere van‑der‑Waals‑materialer som kan fungere som beskyttende lag.

Investere i 2D‑halvlederteknologi

Ved aktivt å arbeide med å løse utfordringene ved å krympe transistor‑dimensjoner, spiller Applied Materials (AMAT ) en betydelig rolle i utviklingen og skaleringen av 2D‑halvledere. Det er faktisk ett av få selskaper som er posisjonert til å muliggjøre den industrielle overgangen til 2D‑halvlederproduksjon gjennom produksjonsutstyr og prosesskjemi.

Markedsprestasjonen til Applied Materials med en markedsverdi på 137 milliarder dollar viser også en sterk oppadgående trend. 

Applied Materials (AMAT )

For øyeblikket handles Applied Materials‑aksjer til $170,50, opp 4,9 % år‑til‑dato og kun ned 33,6 % fra sitt ATH‑nivå i fjor sommer. EPS (TTM) er 8,21, og P/E (TTM) er 20,78, mens utbytteavkastningen er 1,08 %.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapporterte Applied Materials en omsetning på $7,10 milliarder, en økning på 7 % år‑over‑år, for andre kvartal som avsluttet 27. april 2025.

Denne «sterke prestasjonen» ble levert «til tross for det dynamiske økonomiske og handelsmiljøet», sa Brice Hill, senior visepresident og CFO. Selskapet rapporterte også ingen betydelige endringer i kundebehov.

GAAP‑bruttomarginen var 49,1 % og non‑GAAP‑bruttomarginen 49,2 %, mens GAAP‑EPS steg 28 % til $2,63 og non‑GAAP‑EPS hoppet 14 % til $2,39. I denne perioden genererte selskapet $1,57 milliarder i kontanter fra driften og distribuerte $2 milliarder til aksjonærene gjennom $325 millioner i utbytte og $1,67 milliarder i aksjetilbakekjøp.

“Applied Materials’ brede evner og tilkoblede produktportefølje driver sterke resultater i 2025 i et svært dynamisk makro‑miljø.”

– CEO Gary Dickerson

Han påpekte at høy‑ytelses og energieffektiv AI‑databehandling fortsatt er den viktigste driveren for innovasjon innen halvledere.

Siste nyheter og utviklinger for Applied Materials (AMAT) aksjer

Konklusjon

Ved å bygge verdens første fungerende CMOD‑datamaskiner helt fra atom‑tynne 2D‑materialer, har forskerne ikke bare utfordret silisiums lenge dominerende posisjon i elektronikk, men også presentert en løsning på det eksisterende problemet med å gjøre elektroniske enheter mindre, raskere og bedre.

Over 2 000 transistorer fremstilt av teamet er i stand til å utføre logiske operasjoner på en datamaskin, noe som fjerner behovet for tradisjonelt silisium.

Selv om den fortsatt er i sin spede begynnelse, peker gjennombruddet mot en spennende fremtid hvor høy‑ytelses, mer energieffektive og slankere elektronikk, drevet av materialer kun ett atom tykke, blir den nye virkeligheten.

Klikk her for å lære hvorfor lagdelte halvledere kan være det neste spranget i minnelagring.

Studier referert:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. A Complementary Two-Dimensional Material-Based One Instruction Set 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. A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-Dimensional Semiconductors. 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. Programmable P-N Junctions in Two-Dimensional Semiconductor 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: A hybridization of 2D silica glass and graphene. Adv. Mater. 2025, Publisert Online 28. mai 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Novel Quantum States of Exciton–Floquet Composites: Electron–Hole Entanglement and Information. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100