Silicium is niet op het punt om te verdwijnen, maar de halfgeleiderindustrie bereidt zich al voor op een nieuwe fase waarin het blijven verkleinen van transistors met dezelfde traditionele materialen niet langer volstaat. De nieuwste signalen komen van imec, ASML en TSMC, die een integratieroute voor 300 mm wafels hebben getoond voor transistors gebaseerd op twee-dimensionale materialen, met nFET- en pFET-apparaten die opgeschaald zijn tot 50 nm polycontact pitch (CPP).
De vooruitgang werd gepresenteerd op het IEEE/JSAP Symposium on VLSI Technology and Circuits 2026 en moet niet worden geïnterpreteerd als een aankondiging van een binnenkort verkrijgbare chip. Desalniettemin is het nieuws relevant omdat het een van de grootste uitdagingen van het komende decennium aanpakt: hoe de logica verder te schalen wanneer siliconenkanalen de fysieke grenzen naderen die steeds moeilijker te beheren zijn. imec beschrijft het resultaat als een belangrijke stap van “laboratorium naar fabriek” voor transistors met 2D-materialen.
Wat hebben imec, ASML en TSMC bereikt
Het werk richt zich op TMD-materialen, ofwel dicalcogeniden van overgangsmetalen, zoals MoS₂, WS₂ en WSe₂. Deze verbindingen kunnen uiterst dunne, atomaire kanalen vormen, waardoor de transistor beter gecontroleerd kan worden bij zeer verkleinde afmetingen. Theoretisch gezien maken deze materialen ze aantrekkelijke kandidaten om de ontwikkelingsroute van geavanceerde logica verder te brengen voorbij de huidige architecturen.
De demonstratie combineert nFET-transistoren met kanaal van MoS₂ en pFET-transistoren op basis van WS₂ of WSe₂ op hetzelfde 300 mm-platform. Het is niet alleen belangrijk dat ze in een laboratorium functioneren—iets wat de wetenschappelijke gemeenschap al jaren aantoont met geïsoleerde apparaten—maar dat ze nu geïntegreerd zijn met afmetingen die aansluiten bij industriële eisen en met tools die compatibel zijn met geavanceerde productie.
De resultaten omvatten drie kernpunten: nFET- en pFET-apparaten die tot 50 nm CPP zijn opgeschaald, zeer lage inschakelstroom bij 0 V poortspanning in beide polariteiten, en een pFET met WSe₂-kanaal die indrukwekkende prestatie levert dicht bij die van de beste laboratoriumapparaten. Daarnaast spreekt imec van 94% operationele transistors, gedefinieerd als apparaten met een Imax/Imin-verhouding groter dan 10⁵, wat wijst op een stabiel proces in een nog experimentele fase.
| In technisch element | Aangekondigd resultaat | Waarom belangrijk |
|---|---|---|
| Wafeltype | 300 mm | Brengt technologie dichter bij industriële omgevingen |
| Kanaalmaterialen | MoS₂, WS₂ en WSe₂ | 2D-alternatieven voor siliciumkanaal |
| Transistoren | nFET en pFET | Benodigd voor CMOS-achtige logica |
| Schaalbaarheid | 50 nm polycontact pitch | Essentieel voor geavanceerde nodes |
| Vermelde kanaallengte | Tot 28 nm, volgens ASML | Toont de rol van EUV-lithografie |
| Operationeel rendement | 94% functionerende apparaten | Geeft stabiliteit van het integratieproces aan |
| Belangrijke tool | EUV-lithografie voor enkel patroon | Maakt fijnere en beter beheersbare structuren mogelijk |
| Toepassingen in de toekomst | Ultraschaalbare logica, BEOL en backside | Beperkt zich niet tot traditionele fronttransistors |
Waarom 2D-materialen belangrijk zijn voor de átomische tijdperk
De industrie heeft silicium al decennia lang maximaal benut. Eerst met vlakke schaalvergrotingen, daarna met FinFET en nu met gate-all-around. De volgende stap in densiteit zou kunnen komen van CFET, waarin complementaire transistors verticaal worden gestapeld. Maar zelfs deze architecturen staan voor een gemeenschappelijk probleem: hoe kleiner het kanaal, hoe lastiger het wordt om goede electrostatische controle te behouden zonder mobiliteit, lekstromen of variabiliteit te degraderen.
2D-materialen bieden een gedeeltelijk antwoord op dit probleem. Doordat ze extreem dun zijn, maken ze het mogelijk dat de poort het kanaal beter controleert, zelfs bij zeer korte lengtes. Die fysieke eigenschap kan helpen bij het bouwen van kleinere en efficiëntere transistors. De uitdaging lag altijd in de industrie: het overbrengen van delicate materialen, het vormen van laagweerstandcontacten, het voorkomen van schade tijdens het proces, en dit alles doen op grote wafels met tools die geschikt zijn voor grote productievolumes.
Daar ligt de waarde van dit nieuws. imec, ASML en TSMC hebben niet alleen een exotisch apparaat getoond; ze presenteren een industriële integratieroute die compatibel is met high-volume 300 mm fabrieken, met n- en p-transistoren op een enkele wafer en EUV-lithografie. ASML benadrukt dat EUV-resolutie tot kanaallengtes van 28 nm heeft geleid en pitches die compatibel zijn met de meest geavanceerde nodes, in tegenstelling tot eerdere demonstraties die groter waren of met minder representatieve technieken werden gemaakt.
Ook de gebruikte architectuur is belangrijk. imec spreekt van een “omgekeerd” proces voor dunne-films transistors, met ondercontacten en een overlappende poortdepositie. In plaats van het apparaat op de traditionele manier te construeren, wordt het TMD-materiaal over tevoren gecreëerde tungstenkuilen geplaatst, die fungeren als contacten. Deze aanpak helpt de integriteit van het 2D-kanaal te behouden en contactproblemen te minimaliseren.
Het is geen siliciumlijn, maar wel een teken van verandering
De term “post-silicon-tijdperk” klinkt aantrekkelijk, maar moet met voorzichtigheid worden gebruikt. Voor commercieel beschikbare chips blijft silicium de kern, zowel als substraat als in meerdere proceslagen. Zelfs als de kanalen van 2D-materialen producten van de toekomst worden, zullen ze waarschijnlijk naast bestaande CMOS-technologie blijven bestaan, niet deze onmiddellijk vervangen.
De industrie werkt immers op lange termijn. 2D-materialen worden bestudeerd als kandidaat voor toekomstige nodes, voor integratie achter de wafer, voor back-end-of-line-applicaties, en voor architecturen die logica of geheugen dichter bij interconnecties en voedingslijnen willen plaatsen. Die integratie kan bijzonder waardevol zijn in AI-chips, high-performance processors en 3D-ontwerpen, waarin dataverplaatsing steeds meer energie en ruimte kost.
Het is ook belangrijk om te onderscheiden tussen het demonstreren van transistors en het fabriceren van complexe commerciële circuits. Een werkend transistor is slechts één onderdeel. Een chip vereist miljoenen of miljarden apparaten met gecontroleerde variabiliteit, consistente prestaties, ontwerpregels, compacte models, EDA-tools, testprocessen en integratie in de volledige productieketen. Een recente beoordeling van 2D-halfgeleiders benadrukt dat de stap van individuele high-performance devices naar functionele geïntegreerde circuits nog altijd een grote kloof vormt.
De vooruitgang van imec, ASML en TSMC sluit aan bij andere recente industriële inspanningen. Intel en imec bijvoorbeeld hebben al modules getoond die compatibel zijn met 300 mm-wafels voor 2D-transistors, met contact- en poortstacks die geschikt zijn voor productie. De gemeenschappelijke richting is duidelijk: grote bedrijven beschouwen 2D-materialen niet meer louter als een academisch curiosum, maar als een veelbelovende weg om de verbetering van dichtheid en efficiëntie voort te zetten als traditionele technologieën stagneren.
De betrokkenheid van TSMC en ASML geeft een speciale interpretatie. TSMC biedt inzicht uit ‘foundry’-perspectief, waar elke toekomstige technologie naadloos moet kunnen worden geïntegreerd in herhaalbare en kosteneffectieve processen. ASML levert de EUV-lithografietool als precisiegereedschap om structuren tot relevante nanometergroottes te schalen. imec fungeert als brug voor fundamenteel onderzoek, precisely op het punt waar veel veelbelovende ideeën vastlopen voordat ze de fabriek bereiken.
Voor de markt verandert het nieuws niets aan de planning voor CPU’s, GPU’s of AI-chips op korte termijn. Huidige en komende nodes blijven grotendeels gebaseerd op silicium en gate-all-around-architecturen. Maar het laat wel zien wat er mogelijk komt: atoomdunne kanalen, meer aggressieve 3D-integratie en nieuwe materialen die ontworpen zijn om aanvullend te werken naast de enorme siliciuminfrastructuur, niet deze onmiddellijk vervangen.
De strijd in halfgeleiderland gaat niet langer alleen om het verkleinen van transistors. Het draait ook om het vinden van materialen die blijven functioneren wanneer de schaalverkleining niet meer eenvoudig is. In die zoektocht hebben 2D-transistors een belangrijke stap gezet: ze gaan van veelbelovend in het laboratorium naar demonstraties dat ze fabrieksklaar kunnen worden gemaakt, althans in de experimentele fase, met een route die veel dichter bij industriële productie ligt.
Veelgestelde vragen
Wat is een 2D-transistor?
Het is een transistor die een extreem dun materiaal gebruikt, op atomaire schaal, als kanaal. In dit geval zijn dat TMD-materialen zoals MoS₂, WS₂ en WSe₂, onderzocht als alternatieven voor silicium in toekomstige nodes.
Wat hebben imec, ASML en TSMC getoond?
Ze hebben een integratieroute op 300 mm-wafels gepresenteerd voor nFET- en pFET-transistoren gebaseerd op 2D-materialen, met een polycontact pitch van 50 nm en goede elektrische prestaties.
Betekent dit dat chips binnenkort niet meer siliconen gebruiken?
Nee. Silicium blijft voorlopig de kern, zowel als substraat als in meerdere lagen in het proces. Zelfs als 2D-kanalen in toekomstige producten worden gebruikt, zullen ze waarschijnlijk naast bestaande CMOS-technologie blijven bestaan, niet deze direct vervangen.
Wanneer kunnen 2D-transistoren in commerciële producten komen?
Een precieze datum ontbreekt nog. De technologie moet nog veel uitdagingen overwinnen op gebied van integratie, variabiliteit, contacten, circuitontwerp en grootschalige fabricage. Het is een industrieel onderzoeksresultaat, geen kant-en-klare productlancering.
via: imec-int