China alcança aumento de velocidade de 1.000 vezes na produção de semicondutores 2D de próxima geração

Quebrar a barreira da velocidade na eletrónica com espessura atómica

Investigadores chineses anunciaram um avanço na fabricação que pode remodelar o panorama global dos semicondutores, ao desenvolverem um método para crescer materiais semicondutores bidimensionais a velocidades cerca de 1.000 vezes superiores às das técnicas convencionais. A inovação, liderada por cientistas da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa e da Academia Chinesa de Ciências, resolve um estrangulamento crítico que há muito tem impedido a viabilidade comercial dos chips de próxima geração.

A equipa de investigação, liderada por Zhu Mengjian juntamente com os colegas Ren Wencai e Xu Chuan, do Instituto de Investigação de Metais, publicou as suas conclusões na revista National Science Review a 26 de março. O seu trabalho demonstra uma técnica modificada de deposição química em fase de vapor que produz folhas de grande escala de nitreto de silício e tungsténio a aproximadamente 20 micrómetros por minuto, uma aceleração dramática em relação aos referenciais anteriores, que exigiam cinco horas para crescer apenas 0,001 milímetros.

Porque o silício está a chegar ao limite

Durante mais de cinco décadas, a indústria da eletrónica seguiu a Lei de Moore, a observação de que o número de transístores num microchip duplica aproximadamente a cada dois anos, enquanto os custos diminuem. Este padrão impulsionou a evolução de tudo, desde smartphones a supercomputadores, criando uma indústria de um bilião de dólares assente no silício. Contudo, à medida que as dimensões dos transístores se aproximam de escalas atómicas, a física fundamental começa a intervir.

Abaixo de aproximadamente 5 nanómetros, os eletrões no silício começam a exibir comportamentos da mecânica quântica que minam a computação clássica. O efeito de túnel quântico permite que os eletrões escapem através de barreiras isolantes que os deveriam bloquear, enquanto a dissipação de calor se torna cada vez mais incontrolável à medida que os componentes ficam mais próximos. Estas restrições físicas ameaçam travar o progresso que tem sustentado o avanço tecnológico moderno.

A procura de potência computacional continua a acelerar, impulsionada em grande medida por sistemas de inteligência artificial e grandes modelos de linguagem que exigem uma capacidade de processamento exponencialmente maior. Segundo previsões da indústria, as necessidades de computação de IA poderão aumentar 1.000 vezes até 2030, em comparação com os níveis de 2023. Esta lacuna crescente entre a procura e as limitações físicas do silício desencadeou uma busca global por materiais alternativos que possam ampliar ou substituir o fabrico tradicional de semicondutores.

A promessa dos materiais bidimensionais

Os semicondutores bidimensionais representam uma das vias mais promissoras para além do silício convencional. Estes materiais, por vezes com a espessura de um único átomo, conduzem eletricidade de formas fundamentalmente diferentes dos cristais tridimensionais. Ao contrário do silício maciço, em que o canal por onde a corrente flui tem de ser escavado a partir de um bloco sólido, os semicondutores 2D são intrinsecamente finos, eliminando a necessidade de remover fisicamente material para criar características à nanoescala.

Os efeitos de confinamento quântico nestas camadas ultrafinas podem, na verdade, melhorar as propriedades elétricas em vez de as degradar. Quando os eletrões ficam restritos ao movimento bidimensional, a sua energia mínima aumenta, alargando efetivamente o hiato de banda que controla se um transístor está ligado ou desligado. Isto significa que os materiais 2D podem potencialmente alcançar melhor eficiência energética e menos corrente de fuga do que o silício em escalas equivalentes, tornando-os candidatos ideais para tecnologias de nó inferior a 5 nanómetros.

Vários materiais 2D já demonstraram fortes características de desempenho. O dissulfureto de molibdénio e o disselenieto de molibdénio, compostos classificados como dicalcogenetos de metais de transição, possuem hiatos de banda naturais que lhes permitem alternar entre estados condutores e isolantes. Estes materiais de tipo n, que transportam corrente elétrica através de eletrões, têm sido relativamente simples de produzir em ambiente laboratorial. No entanto, a criação de circuitos integrados práticos exige pares complementares de materiais.

Resolver a crise dos materiais de tipo p

As arquiteturas modernas de transístores dependem da união de dois tipos distintos de semicondutores: tipo n, que utiliza eletrões como portadores de carga, e tipo p, que depende de lacunas (a ausência de eletrões na rede cristalina) para conduzir carga positiva. Esta arquitetura complementar de metal-óxido-semicondutor, conhecida como CMOS, constitui a base de toda a lógica digital contemporânea. Todas as portas NAND, NOR e NOT exigem que ambas as variedades funcionem em conjunto.

Embora os semicondutores 2D de tipo n tenham estado amplamente disponíveis, as contrapartes de tipo p de alto desempenho e estáveis permaneceram teimosamente esquivas. Zhu Mengjian descreveu esta escassez como um estrangulamento crítico e uma fronteira ferozmente competitiva na investigação de semicondutores. Sem materiais de tipo p fiáveis, os engenheiros não conseguem construir as portas lógicas básicas que sustentam a computação, independentemente da excelência dos materiais de tipo n.

A equipa chinesa identificou o nitreto de silício e tungsténio como solução para este desequilíbrio. Este material exibe naturalmente comportamento de tipo p sem exigir processos externos de dopagem que frequentemente introduzem instabilidade. Os filmes demonstraram elevada mobilidade de lacunas e forte densidade de corrente, a par de robustez mecânica e condutividade térmica. Estas propriedades sugerem que o material consegue suportar o processamento litográfico de várias etapas exigido para o fabrico comercial de chips sem fissurar nem delaminar dos substratos.

O professor Peng Hailin, da Universidade de Pequim, que trabalha num projeto separado mas relacionado de transístores 2D com oxisseleneto de bismuto, explicou a importância fundamental deste equilíbrio de dopagem. Nessa investigação, também orientada para arquiteturas pós-silício, a sua equipa alcançou velocidades 40% superiores às dos mais recentes chips de 3 nm da Intel, utilizando menos 10% de energia. O grupo da Universidade de Pequim descreveu o seu desenvolvimento como mudar de via em vez de seguir atalhos, sinalizando uma mudança fundamental em relação às conceções baseadas em silício.

A inovação do ouro e do tungsténio

A inovação crítica que permitiu o avanço na velocidade de produção envolveu a reengenharia do processo de deposição química em fase de vapor que faz crescer filmes semicondutores 2D. As técnicas tradicionais de CVD fazem passar gases precursores sobre substratos aquecidos, esperando que os átomos cristalizem camada a camada. Este processo tem sido historicamente extremamente lento, tornando economicamente inviável o salto de amostras laboratoriais com milímetros para as bolachas de 300 milímetros usadas no fabrico comercial.

A equipa de investigação substituiu o substrato sólido padrão por uma bicamada líquida de ouro e tungsténio. A superfície de ouro líquido elimina os limites de grão, proporcionando um modelo uniformemente liso para a nucleação de cristais. Isto permite que os átomos precursores se difundam pela superfície muito mais rapidamente do que em substratos sólidos convencionais. Entretanto, a camada subjacente de tungsténio fornece um dos componentes elementares necessários para o filme de nitreto de silício e tungsténio, reduzindo a dependência de mecanismos de entrega em fase gasosa que frequentemente limitam as taxas de crescimento.

Esta modificação do substrato permitiu o crescimento de filmes monocamada que atingem dimensões de aproximadamente 36 por 18 milímetros, transportando os semicondutores 2D para o domínio do fabrico à escala de bolacha. O material resultante apresentou forte desempenho elétrico, durabilidade e capacidades de gestão de calor essenciais para aplicações avançadas de chips. A velocidade de produção aumentou de cerca de 0,00004 polegadas em cinco horas para cerca de 0,0008 polegadas por minuto, representando a aceleração mil vezes superior que tem chamado a atenção da indústria.

O método também proporciona controlo preciso sobre as propriedades de dopagem, permitindo aos engenheiros ajustar as características elétricas dos filmes resultantes. Esta capacidade de ajuste é crucial para integrar materiais 2D nas arquiteturas CMOS existentes, o que continua a ser um passo necessário para a adoção comercial. A compatibilidade com a infraestrutura atual de semicondutores poderá simplificar a integração futura, embora permaneçam desafios significativos de engenharia na ampliação do tamanho atual de demonstração para bolachas de produção total.

Competição global e implicações estratégicas

O avanço nos semicondutores surge em plena intensificação da competição tecnológica entre as principais potências económicas. Segundo dados da CAS Content Collection, as instituições chinesas registaram uma subida acentuada tanto em publicações em revistas como em patentes relacionadas com microeletrónica, com o país a produzir muitos pedidos de propriedade intelectual de orientação comercial. Entretanto, os Estados Unidos têm seguido estratégias agressivas para manter a liderança através da Lei CHIPS e Ciência, que atribuiu 52,7 mil milhões de dólares para reforçar o fabrico e a capacidade de investigação nacionais.

As tensões geopolíticas complicaram a cadeia de abastecimento global, com os controlos à exportação implementados em outubro de 2022 a restringirem o acesso da China a equipamentos avançados de semicondutores e chips de computação. Estas restrições visam limitar o progresso chinês em IA e tecnologias de defesa, mas também estimularam iniciativas de investigação internas destinadas a alcançar a independência tecnológica. Os avanços nos semicondutores 2D representam exatamente o tipo de investigação fundamental que poderá permitir à China contornar os estrangulamentos convencionais de equipamento através do desenvolvimento de plataformas alternativas de materiais.

O mercado global de equipamento para semicondutores, avaliado em aproximadamente 111,84 mil milhões de dólares em 2025, deverá atingir 268,06 mil milhões de dólares até 2034, segundo análises de mercado. Este crescimento é impulsionado pela transição para nós avançados abaixo de 5 nanómetros, onde a litografia ultravioleta extrema e os materiais inovadores se tornam essenciais. A região Ásia-Pacífico domina atualmente com quase 69% da quota de mercado, embora a Europa e a América do Norte estejam a investir fortemente para diversificar a produção e afastá-la de cadeias de abastecimento concentradas.

Especialistas da indústria observam que a passagem de demonstrações laboratoriais para produção comercial envolve esforços de vários anos que exigem colaboração entre cientistas de materiais, engenheiros de processos e físicos de dispositivos. A densidade de defeitos tem de cair para níveis em que milhares de milhões de transístores funcionem de forma fiável num único chip, e os novos materiais têm de provar compatibilidade com os processos existentes de litografia, gravação e metalização. A abordagem de substrato de metal líquido desenvolvida pela equipa chinesa poderá influenciar princípios de engenharia em toda a indústria, independentemente do material específico que venha a entrar em produção em massa.

Desafios no caminho para a comercialização

Apesar dos resultados laboratoriais promissores, vários obstáculos formidáveis separam as conquistas atuais dos produtos de consumo que contenham transístores 2D. A uniformidade em áreas de bolacha maiores torna-se exponencialmente mais difícil de manter à medida que a produção aumenta. A transição de filmes de 36 por 18 milímetros para bolachas de produção de 300 milímetros envolve mais do que simplesmente ampliar a câmara de deposição química em fase de vapor; exige manter precisão ao nível atómico em áreas de superfície enormemente aumentadas.

A gestão de calor apresenta outra consideração significativa. Embora o nitreto de silício e tungsténio mostre propriedades térmicas favoráveis em comparação com algumas alternativas, os materiais ultrafinos têm inerentemente secções transversais limitadas para o fluxo de calor. À medida que os transístores se tornam mais densos, a remoção do calor residual torna-se crítica para manter o desempenho e evitar danos térmicos em estruturas delicadas. A resistência mecânica dos materiais 2D também tem de suportar as tensões físicas dos processos de fabrico que envolvem etapas de gravação, deposição e limpeza suscetíveis de danificar camadas com espessura atómica.

A escassez de mão de obra qualificada agrava estes desafios técnicos. A Associação da Indústria de Semicondutores projetou que só os Estados Unidos enfrentam um défice de aproximadamente 67.000 técnicos, engenheiros e cientistas qualificados até 2030. Escassezes semelhantes afetam polos de fabrico em todo o mundo, podendo abrandar o ritmo a que as novas tecnologias podem ser implementadas mesmo depois de provarem ser viáveis em ambiente de investigação.

As preocupações ambientais também pairam fortemente sobre os planos de expansão. Uma única fábrica moderna que produza bolachas de 12 polegadas consome aproximadamente 10 milhões de galões de água por dia. A grave seca de 2021 em Taiwan evidenciou a vulnerabilidade do fabrico de semicondutores às restrições de recursos. Os fabricantes estão a adotar cada vez mais tecnologias de reciclagem e práticas sustentáveis, mas a intensidade energética e hídrica da produção de chips continua a ser uma consideração significativa enquanto a indústria pondera construir novas instalações para acomodar materiais inovadores.

O essencial

• Investigadores chineses desenvolveram uma técnica de deposição química em fase de vapor que faz crescer materiais semicondutores 2D 1.000 vezes mais depressa do que os métodos anteriores, alcançando velocidades de aproximadamente 20 micrómetros por minuto.
• O avanço utiliza um substrato de bicamada líquida de ouro e tungsténio para produzir folhas de nitreto de silício e tungsténio à escala de bolacha, respondendo à escassez crítica de materiais 2D de tipo p de alto desempenho necessários para pares de transístores CMOS.
• A inovação surge quando o silício se aproxima de limites físicos fundamentais abaixo de 5 nanómetros, com o efeito de túnel quântico e a dissipação de calor a ameaçarem travar décadas de melhorias constantes de desempenho ao abrigo da Lei de Moore.
• Os semicondutores bidimensionais, com apenas alguns átomos de espessura, oferecem potenciais vias para a continuação da redução de escala dos transístores com melhor eficiência energética em comparação com o silício tridimensional convencional.
• O desenvolvimento ocorre num contexto de intensa competição global pela supremacia dos semicondutores, com a China a avançar na produção de investigação enquanto os Estados Unidos e a Europa investem milhares de milhões através das Leis CHIPS para assegurar cadeias de abastecimento nacionais.
• A transição de demonstrações laboratoriais para produção comercial exigirá superar desafios na densidade de defeitos, na gestão de calor, na uniformidade de fabrico e na integração com a infraestrutura de fabrico existente.
• O mercado de equipamento para fabrico de semicondutores deverá crescer de 111,84 mil milhões de dólares em 2025 para 268 mil milhões de dólares até 2034, impulsionado pela procura de computação de IA, nós avançados e materiais inovadores, incluindo semicondutores 2D.