2D CMOS-dator tänder en ny era av kiselalternativ

I världen av halvledarteknik, som utgör grunden för modern elektronik, är kisel (Si) det mest använda materialet.

Det är det näst mest förekommande grundämnet på jorden efter syre, och kisel har möjliggjort framsteg inom halvledarteknik genom miniaturisering. Från mikroprocessorer till automation, datorer, smartphones och elbilar har det lett till genombrott i elektronik genom att avsevärt minska den fysiska storleken på enheter.

Men nu har skalningsutmaningar gjort det nödvändigt att utforska nya material. Här visar tvådimensionella (2D) material potential för enastående förbättringar i enhetsprestanda på atomnivå.

2D‑material är ultratunna nanomaterial med ett enda atomlager. De har hög anisotropi och kemisk funktionalitet, och deras attraktiva elektroniska egenskaper gör dem användbara i ett brett spektrum av tillämpningar. Grafen är ett populärt 2D‑material. 

Så, med sin atomära tjocklek och höga bärarmobilitet erbjuder 2D‑material ett lovande alternativ. Betydande framsteg har också gjorts i tillväxt på wafer‑skala, högpresterande fälteffekttransistorer (FET) och kretsar baserade på dessa material.

FET är en typ av transistor som använder ett elektriskt fält för att kontrollera strömmen genom ett halvledarmaterial. Den fungerar som en kritisk elektronisk komponent i modern elektronik och agerar som en kontrollerad strömbrytare i högspännings‑ och högfrekvenskraftkretsar.

Trots stora framsteg är integration av komplementär metall‑oxid‑semiconductor (CMOS) fortfarande en utmaning.

CMOS är en teknik som används vid tillverkning av integrerade kretsar, särskilt i dataprocessorer, minneschips och andra digitala enheter. Den hjälper till att reglera elektrisk ström genom dessa komponenter, vilket är avgörande för korrekt funktion.

Noterbart är att CMOS använder både n‑typ (NMOS) och p‑typ (PMOS) transistorer på ett komplementärt sätt för att uppnå logikfunktioner.

n‑typ transistorer leder elektricitet med negativt laddade elektroner som huvudsakliga laddningsbärare och tillåter ström att flöda. I p‑typ transistorer är majoriteten av laddningsbärarna hål (positiva laddningar), och de möjliggör strömflöde från strömkällan till utgången.

I CMOS avser metall‑oxid‑semiconductor de material som används i transistorernas konstruktion: metall för gaten, oxid för isolering och kisel‑halvledare för kanalen.

Det som gör CMOS kraftfullt är att det möjliggör skapandet av komplexa elektroniska kretsar på en enda halvledarchip. Dessutom använder CMOS‑transistorer mindre energi jämfört med andra tekniker eftersom de bara förbrukar kraft när de växlar mellan tillstånd (på/av). Vidare är CMOS‑kretsar kända för sin höga tillförlitlighet.

Nu har forskare från Penn State övervunnit utmaningen att integrera CMOS med 2D‑material.

Det de har gjort är att de utvecklat en 2D‑en‑instruktions‑set‑dator baserad på CMOS‑teknik. Den utnyttjar heterogen integration av stora ytor av n‑typ MoS₂ och p‑typ WSe₂ fälteffekttransistorer.

Teamet lyckades uppnå höga drivströmmar och minskat subtröskel‑läckage genom att skräddarsy tröskelspänningarna för både n‑ och p‑typ 2D‑FETs. Detta uppnåddes genom att skala kanalens längd, för vilken de införlivade ett hög‑κ gate‑dielektrikum och optimerade materialtillväxt samt efterbehandling av enheter.

Detta möjliggjorde kretsdrift under 3 V med en driftfrekvens på upp till 25 kHz samt ultralåg strömförbrukning i picowatt‑området och en växlingsenergi på cirka 100 pJ.

Penn State:s 2D CMOS-dator driver den atomära gränsen

Kisel är ledande inom halvledarteknik, men till skillnad från detta grundämne kan en‑atomstora 2D‑material behålla sina egenskaper på den skalan.

Efter att ha drivit ”enastående framsteg i elektronik i årtionden genom att möjliggöra kontinuerlig miniaturisering av fälteffekttransistorer (FETs)”, står kisel inför en stor utmaning att göra enheter både bättre och mindre.

“När kiselenheter krymper börjar deras prestanda försämras,” noterade studiens ledare, Saptarshi Das, som är Ackley‑professor i ingenjörsvetenskap och professor i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State.

I kontrast behåller 2D‑material sina exceptionella elektroniska egenskaper även vid atomär tjocklek, vilket ger ”ett lovande framtida spår”. Därför använde forskarteamet i det banbrytande arbetet 2D‑material för att utveckla en dator som kan utföra enkla operationer.

Publicerad i Nature¹, studien, som stöddes av Office of Naval Research, Army Research Office och delvis av U.S. National Science Foundation, detaljerade det stora steget mot tunnare, snabbare och mer energieffektiva elektronik.

Som nämnts ovan har de skapat en CMOS‑dator utan att förlita sig på kisel, ett tetravalent metalloid som uppvisar egenskaper mellan metaller och icke‑metaller. Forskare har ersatt det med två olika 2D‑material för att utveckla de två typer av transistorer som krävs i CMOS‑datorer för att kontrollera den elektriska flödet.

För n‑typ transistorer använde de molybdendisulfid (MoS₂), en klass av 2D‑övergångsmetall‑dichalkogenider (TMDC) med lågt friktionskoefficient, utmärkt termisk stabilitet och hög slitstyrka under specifika förhållanden.

För p‑typ transistorer används volframdiselenid (WSe₂). Den oorganiska föreningen har en hexagonal kristallstruktur liknande molybdendisulfid och är känd för sina unika elektroniska egenskaper, inklusive hög bärarmobilitet, ett betydande bandgap och ett anmärkningsvärt på‑av‑förhållande.

CMOS‑teknik kräver både n‑typ och p‑typ halvledare som arbetar tillsammans för att uppnå hög prestanda med låg energiförbrukning. Detta har dock varit en nyckelutmaning som hindrat framsteg bortom kisel.

Och medan studier har visat att små kretsar baserade på 2D‑material kan skalas till komplexa, funktionella datorer, har detta ännu inte uppnåtts.

Enligt forskarna är detta nyckelframsteget i deras arbete. För första gången har de byggt en CMOS‑dator helt och hållet av 2D‑material, med stora ytor av växt molybdendisulfid och volframdiselenid‑transistorer.

För att tillverka transistorn använde teamet en process som kallas metallorganisk kemisk ångdeposition (MOCVD). I denna process förångas ingredienser, vilket tvingar en kemisk reaktion och deponering av produkterna på ett substrat.

Genom MOCVD odlade teamet stora blad av molybdendisulfid och volframdiselenid och tillverkade mer än 1 000 av varje typ av transistor.

Sedan, genom noggranna förändringar i enhetstillverkning och efterbehandling, kunde teamet justera tröskelspänningarna för n‑ och p‑typ transistorer, vilket i sin tur möjliggjorde utvecklingen av fullt funktionella CMOS‑logikkretsar.

Enligt Subir Ghosh, den första författaren till studien och doktorand i ingenjörsvetenskap och mekanik:

“Vår 2D‑CMOS‑dator fungerar vid låga försörjningsspänningar med minimal strömförbrukning och kan utföra enkla logikoperationer med frekvenser upp till 25 kilohertz.” 

Även om denna driftfrekvens är låg jämfört med konventionella kisel‑CMOS‑kretsar, påpekade Ghosh att deras dator fortfarande kan utföra enkla logikoperationer.

“Vi utvecklade också en beräkningsmodell, kalibrerad med experimentella data och som inkorporerar variationer mellan enheter, för att projicera prestandan hos vår 2D‑CMOS‑dator och jämföra den med den senaste kiselteknologin. Även om det finns utrymme för ytterligare optimering markerar detta arbete ett betydande milstolpe i att utnyttja 2D‑material för att driva elektronikens fält framåt.”

– Ghosh

Så, även om det är ett stort genombrott, är arbetet ännu inte färdigt. Mer forskning krävs för att vidareutveckla 2D‑CMOS‑datorns tillvägagångssätt för bredare användning. Däremot betonade Das den snabba utvecklingen av fältet jämfört med kisels utveckling.

“Kiselteknik har utvecklats i omkring 80 år, men forskningen kring 2D‑material är relativt ny, först på allvar omkring 2010. Vi förväntar oss att utvecklingen av 2D‑materialdatorer också blir en gradvis process, men detta är ett steg framåt jämfört med kisels utvecklingskurva.”

– Das

Bygga mikrochip med 2D‑material i skala

För ett par månader sedan rapporterade forskare i Kina också utvecklingen av ett mikrochip² med molybdendisulfid. Chipet har 5 931 transistorer, var och en tre atomer tjock.

Molybdendisulfid (MoS₂) tros av forskare möjliggöra fortsatt Moores lag när kisel inte längre kan leverera ytterligare framsteg.

“Även om 2D‑material har förespråkats i över ett decennium, är den verkliga begränsningen för deras nuvarande utveckling inte prestandan hos någon enskild enhet, eftersom många 2D‑elektroniska enheter fungerar mycket bra på laboratorienivå.”

– Wenzhong Bao, professor vid Fudan University

Praktiskheten hos 2D‑material ifrågasätts på grund av ”bristen på ett integrerat teknologisystem som är skalbart, repeterbart och kompatibelt med industriella processer,” tillade han.

Så skapade teamet ett nytt mikrochip kallat RV32‑WUJI. Det har nästan 6 000 MoS₂‑transistorer tillverkade med konventionella CMOS‑tekniker, vilket markerar övergången från laboratorieforskning till system‑nivå ingenjörsapplikationer.

Mikrochipet är utrustat med en RISC‑V‑arkitektur som kan exekvera standard‑32‑bits‑instruktioner. Den nya processorn är byggd på ett substrat av isolerande safir som elektriskt separerar transistorerna. Ett standard‑cell‑bibliotek har också utvecklats för RV32‑WUJI, innehållande 25 typer av logikenheter för att utföra grundläggande funktioner. För att optimera varje steg i processen använde teamet maskininlärning. 

Forskarna har uppnått en tillverkningsutbyte på 99,77 %. Chipet förbrukar dessutom endast 0,43 milliwatt när det utför aritmetik.

Medan kiselchip har miljontals gånger fler transistorer och driftfrekvenser som är mycket snabbare än den nya enheten, sade Bao att det nya arbetet är laboratoriumsbaserat, till skillnad från kiselbaserade halvledare där enorma FoU‑resurser har investerats under flera decennier. Om industrin antar 2D‑halvledare, ”tror vi att takten för att komma ikapp kiselbaserad prestanda kommer att vara snabbare än vi kan föreställa oss,” tillade han.

Det 2D‑aktiva materialet molybdendisulfid (MoS₂) fick nyligen också en platina (Pt)‑uppgradering på atomnivå i en ny studie³ utförd av universitetet i Wien och Wien tekniska universitet.

Forskarna inbäddade individuella Pt‑atomer på en ultratunn MoS₂‑monolager och identifierade för första gången deras exakta positioner i kristallgittret med atomprecision genom ett innovativt tillvägagångssätt.

Deras metod, som integrerar riktad defektskapning i MoS₂‑monolagret, kontrollerad platination och en högkontrast beräknings‑mikroskopisk avbildningsteknik, tror forskarna erbjuder nya vägar för att förstå och konstruera atomskaliga funktioner i 2D‑system.

Bortom CMOS: Hybrid‑2D‑material och kvantvägar

Forskare har länge letat efter nya material för att ersätta kisel i nästa generations elektronik. Dessa material måste kunna leverera högre prestanda och lägre energiförbrukning samtidigt som de är skalbara, vilket ofta leder till 2D‑material.

Ett multinationellt arbete som leddes av MIT för ett par år sedan faktiskt uppnådde två tekniska genombrott och var också det första att rapportera att deras metod, övergångsmetall‑dichalkogenider (TMD), för att odla halvledarmaterial skulle göra enheter snabbare och mer energieffektiva.

För att skapa de nya materialen var teamet tvungen att övervinna tre utmaningar på wafer‑skala eller stor skala: säkerställa enkelkristallinitet, vertikala heterostrukturer och förhindra ojämn tjocklek.

Till skillnad från 3D‑material, som genomgår slipning och slipning för att uppnå en jämn yta, tillåter inte 2D‑material detta, vilket resulterar i en ojämn yta. Detta gör det svårt att producera ett storskaligt, högkvalitativt, enhetligt 2D‑material.

Så byggde teamet en begränsad struktur som främjar kinetisk kontroll av 2D‑material, vilket inte bara löste alla utmaningar utan också krävde självdefinierad såddodling för kortare odlingstid.

Det andra tekniska genombrottet var att visa enkel‑domän‑heterojunktion‑TMDs i stor skala, lager‑för‑lager. 

Forskningen kring 2D‑material expanderar faktiskt ständigt, med forskare som ständigt försöker låsa upp nya funktioner för en mer avancerad framtid. 

För bara några veckor sedan skapade materialforskare vid Rice University ett äkta 2D‑hybrid⁴ genom kemisk integration av grafen och silikaglas, två fundamentalt olika 2D‑material, till en förening kallad glaphene.

Enligt studiens första författare, Sathvik Ajay Iyengar:

“Skikten vilar inte bara på varandra – elektroner rör sig och bildar nya interaktioner och vibrationslägen, vilket ger upphov till egenskaper som inget av materialen har på egen hand.” 

I detta tvärkontinentala arbete utvecklades en tvåstegs, enkel‑reaktions‑metod för att odla glaphene med en flytande kemisk föregångare som innehåller både kol och kisel. Genom att justera syrenivåerna under uppvärmning kunde de först odla grafen och sedan skifta förhållandena till fördel för silikaglaslagret.

Metoden kan tillämpas på ett brett spektrum av 2D‑material, vilket öppnar dörren för utveckling av skräddarsydda 2D‑material för nästa generations elektronik och kvantapparater.

Forskare i Korea har också utnyttjat 2D‑semikonduktiva material för att upptäcka ett nytt kvanttillstånd⁵ som kan driva mer stabila kvantdatorer. Det nya kvanttillståndet kan även utnyttjas i ett 2D‑semikondensorkort för att kontrollera kvantinformation mer pålitligt. 

Små material har lett till stora framsteg inom kvantdatorer under en tid, och den senaste forskningen från Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) öppnar vägar för nya omkonfigurerbara enheter för datalagring. 

“Vi har upptäckt ett nytt kvanttillstånd, känt som exciton‑Floquet‑syntesstillståndet, och föreslagit en ny mekanism för kvant‑intrassling och kvant‑informationsutvinning. Detta förväntas driva fram forskningen inom kvantinformationsteknik i tvådimensionella halvledare.”

– Jaedong Lee från DGIST

Förra året utvecklade forskare från JMU Würzburg och TU Dresden ett skyddande lager för 2D‑kvantmaterial för att skydda dem mot miljöpåverkan utan att kompromissa med deras revolutionerande egenskaper. 

Forskare hade tidigare upptäckt att extremt tunna kvant‑halvledare kräver sofistikerad vakuumutrustning och ett specifikt substratmaterial. Att använda 2D‑material i elektroniska komponenter innebär att de tas bort från vakuummiljön, men även en kort exponering för luft leder till oxidation och förstör deras egenskaper, ”gör dem oanvändbara.”

Så gick teamet vidare för att hitta en metod att skydda det känsliga lagret från miljöfaktorer med ett skyddande lager. Efter två år hade de framgång. Teamet använde avancerade ultrahögt vakuum‑verktyg för att experimentera med upphettning av kiselkarbid som substrat för indenene.

Teamet ser detta bana vägen för tillämpningar som involverar extremt känsliga atomlager i halvledare. De identifierar nu fler van‑der‑Waals‑material för att fungera som skyddslager.

Investera i 2D‑halvledarteknik

Genom att aktivt arbeta med att lösa utmaningarna kring minskande transistor‑dimensioner, spelar Applied Materials (AMAT ) en betydande roll i utvecklingen och skalningen av 2D‑halvledare. Det är faktiskt ett av de få företag som är positionerade för att möjliggöra den industriella övergången till 2D‑halvledartillverkning genom tillverkningsutrustning och processkemi.

Marknadsutvecklingen för det $137 miljarder stora företaget Applied Materials visar också en stark uppåttrend. 

Applied Materials (AMAT )

För närvarande handlas Applied Materials‑aktier till $170,50, upp 4,9 % YTD och ned endast 33,6 % från sin ATH som nåddes förra sommaren. Dess EPS (TTM) är 8,21, och P/E (TTM) är 20,78, medan utdelningsavkastningen är 1,08 %.

När det gäller företagets finanser rapporterade Applied Materials en omsättning på $7,10 miljarder, en ökning med 7 % YoY, för det andra kvartalet som avslutades 27 apr. 2025.

Denna ”starka prestation” levererades ”trots den dynamiska ekonomiska och handelsmässiga miljön,” sade Brice Hill, Senior Vice President och CFO. Företaget rapporterade också inga betydande förändringar i kundefterfrågan.

Dess GAAP‑bruttomarginal var 49,1 % och icke‑GAAP‑bruttomarginalen 49,2 %, medan GAAP‑EPS steg med 28 % till $2,63 och icke‑GAAP‑EPS ökade med 14 % till $2,39. Under perioden genererade företaget $1,57 miljarder i kassaflöde från verksamheten och distribuerade $2 miljarder till aktieägarna genom $325 miljoner i utdelningar och $1,67 miljarder i återköp av aktier.

“Applied Materials breda kapabiliteter och sammankopplade produktportfölj driver starka resultat 2025 mitt i en mycket dynamisk makro‑miljö.”

– VD Gary Dickerson

Han pekade på högpresterande och energieffektiv AI‑beräkning som fortsatt huvuddrivkraft för innovation inom halvledare.

Senaste nyheter och utvecklingar för Applied Materials (AMAT)‑aktien

Slutsats

Genom att bygga världens första fungerande CMOD‑datorer helt och hållet av atomtunna 2D‑material har forskarna inte bara utmanat kisels långa dominans inom elektronik utan också presenterat en lösning på det befintliga problemet att göra elektroniska enheter mindre, snabbare och bättre.

Över 2 000 transistorer som tillverkats av teamet kan utföra logikoperationer på en dator, vilket eliminerar behovet av traditionellt kisel.

Även om tekniken fortfarande är i sin linda pekar genombrottet på en spännande framtid där högpresterande, mer energieffektiv och tunnare elektronik, drivna av material som bara är en atom tjocka, blir den nya verkligheten.

Klicka här för att lära dig varför lager‑halvledare kan vara nästa steg i minneslagring.

Studier som refereras:

^{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, Publicerad Online 28 maj 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