China aumenta em mil vezes a velocidade de produção de semicondutores 2D de nova geração

Superando a barreira da velocidade em eletrônicos com espessura atômica

Pesquisadores chineses anunciaram um avanço na fabricação que pode remodelar o cenário global de semicondutores: desenvolveram um método para produzir materiais semicondutores bidimensionais a velocidades cerca de mil vezes maiores que as das técnicas convencionais. A inovação, liderada por cientistas da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa e da Academia Chinesa de Ciências, enfrenta um gargalo crítico que há muito compromete a viabilidade comercial de chips de nova geração.

A equipe de pesquisa, liderada por Zhu Mengjian, com os colegas Ren Wencai e Xu Chuan, do Instituto de Pesquisa de Metais, publicou os resultados na revista National Science Review em 26 de março. O trabalho demonstra uma técnica modificada de deposição química de vapor que produz folhas de nitreto de tungstênio e silício em larga escala a aproximadamente 20 micrômetros por minuto, um avanço expressivo em relação aos parâmetros anteriores, que exigiam cinco horas para crescer apenas 0,001 milímetro.

Por que o silício está chegando ao limite

Há mais de cinco décadas, a indústria eletrônica segue a Lei de Moore, segundo a qual o número de transistores em um microchip dobra aproximadamente a cada dois anos, enquanto os custos caem. Essa tendência impulsionou a evolução de tudo, de smartphones a supercomputadores, e criou uma indústria trilionária baseada no silício. No entanto, à medida que as dimensões dos transistores se aproximam da escala atômica, as leis fundamentais da física começam a interferir.

Abaixo de aproximadamente 5 nanômetros, os elétrons no silício começam a apresentar comportamentos da mecânica quântica que comprometem a computação clássica. O tunelamento quântico permite que elétrons atravessem barreiras isolantes que deveriam bloqueá-los, enquanto a dissipação de calor se torna cada vez mais difícil de controlar à medida que os componentes são compactados. Essas limitações físicas ameaçam interromper o progresso que sustentou o avanço tecnológico moderno.

A demanda por poder computacional continua crescendo rapidamente, impulsionada sobretudo por sistemas de inteligência artificial e grandes modelos de linguagem, que exigem capacidade de processamento exponencialmente maior. De acordo com projeções do setor, a necessidade de computação para IA pode aumentar mil vezes até 2030 em comparação com os níveis de 2023. Essa disparidade crescente entre a demanda e os limites físicos do silício desencadeou uma busca global por materiais alternativos que possam ampliar ou substituir a fabricação tradicional de semicondutores.

O potencial dos materiais bidimensionais

Os semicondutores bidimensionais representam uma das alternativas mais promissoras ao silício convencional. Esses materiais, às vezes com apenas um átomo de espessura, conduzem eletricidade de maneiras fundamentalmente diferentes das dos cristais tridimensionais. Ao contrário do silício em bloco, no qual o canal por onde passa a corrente precisa ser escavado em um bloco sólido, os semicondutores 2D são naturalmente finos, dispensando a remoção física de material para criar estruturas em escala nanométrica.

Os efeitos de confinamento quântico nessas camadas ultrafinas podem, na verdade, melhorar as propriedades elétricas em vez de degradá-las. Quando os elétrons ficam restritos ao movimento bidimensional, sua energia mínima aumenta, ampliando efetivamente o intervalo de banda que determina se um transistor está ligado ou desligado. Isso significa que os materiais 2D podem alcançar maior eficiência energética e menor corrente de fuga que o silício em escalas equivalentes, tornando-se candidatos ideais para tecnologias com nós abaixo de 5 nanômetros.

Vários materiais 2D já demonstraram características de desempenho expressivas. O dissulfeto de molibdênio e o disseleneto de molibdênio, compostos classificados como dicalcogenetos de metais de transição, têm intervalos de banda naturais que lhes permitem alternar entre estados condutores e isolantes. Esses materiais do tipo n, que conduzem corrente elétrica por meio de elétrons, têm sido relativamente fáceis de produzir em laboratório. No entanto, a criação de circuitos integrados práticos exige pares complementares de materiais.

Resolvendo a crise dos materiais do tipo p

As arquiteturas modernas de transistores dependem da combinação de dois tipos distintos de semicondutores: o tipo n, que usa elétrons como portadores de carga, e o tipo p, que se baseia em lacunas (a ausência de elétrons na rede cristalina) para conduzir carga positiva. Essa arquitetura complementar de metal-óxido-semicondutor, conhecida como CMOS, é a base de toda a lógica digital contemporânea. Todas as portas NAND, NOR e NOT precisam dos dois tipos trabalhando em conjunto.

Embora semicondutores 2D do tipo n estejam amplamente disponíveis, suas contrapartes do tipo p, estáveis e de alto desempenho, continuam difíceis de obter. Zhu Mengjian descreveu essa escassez como um gargalo crítico e uma fronteira altamente competitiva na pesquisa de semicondutores. Sem materiais confiáveis do tipo p, engenheiros não conseguem construir as portas lógicas básicas que sustentam a computação, por melhores que sejam os materiais do tipo n.

A equipe chinesa identificou o nitreto de tungstênio e silício como uma solução para esse desequilíbrio. O material apresenta naturalmente comportamento do tipo p, sem exigir processos externos de dopagem, que muitas vezes causam instabilidade. Os filmes demonstraram alta mobilidade de lacunas e forte densidade de corrente, além de robustez mecânica e condutividade térmica. Essas propriedades indicam que o material pode resistir às várias etapas de processamento litográfico necessárias para fabricar chips comerciais sem rachar nem se desprender dos substratos.

O professor Peng Hailin, da Universidade de Pequim, que trabalha em um projeto independente, mas relacionado, de transistores 2D com oxisseleneto de bismuto, explicou a importância fundamental desse equilíbrio de dopagem. Nesse estudo, também voltado a arquiteturas pós-silício, sua equipe alcançou velocidades 40% superiores às dos chips de 3 nm mais recentes da Intel, com consumo de energia 10% menor. O grupo da Universidade de Pequim descreveu o desenvolvimento como uma mudança de faixa, e não um atalho, sinalizando uma guinada fundamental para longe dos projetos baseados em silício.

A inovação com ouro e tungstênio

A inovação fundamental que possibilitou o avanço na velocidade de produção consistiu em reformular o processo de deposição química de vapor usado para produzir filmes semicondutores 2D. Nas técnicas tradicionais de CVD, gases precursores passam sobre substratos aquecidos, e é preciso esperar que os átomos se cristalizem, uma camada por vez. Historicamente, esse processo tem sido extremamente lento, tornando economicamente inviável passar de amostras de laboratório com dimensões de milímetros para as pastilhas de 300 milímetros usadas na fabricação comercial.

A equipe de pesquisa substituiu o substrato sólido convencional por uma bicamada líquida de ouro e tungstênio. A superfície de ouro líquido elimina os contornos de grão, oferecendo uma base uniformemente lisa para a nucleação dos cristais. Isso permite que os átomos precursores se difundam pela superfície muito mais rapidamente do que em substratos sólidos convencionais. Ao mesmo tempo, a camada subjacente de tungstênio fornece um dos componentes elementares necessários para o filme de nitreto de tungstênio e silício, reduzindo a dependência de mecanismos de fornecimento em fase gasosa, que muitas vezes limitam a velocidade de crescimento.

Essa modificação do substrato permitiu o crescimento de filmes monocamada com dimensões de aproximadamente 36 por 18 milímetros, levando os semicondutores 2D ao patamar da fabricação em escala de pastilhas. O material resultante apresentou bom desempenho elétrico, durabilidade e capacidade de dissipar calor, características essenciais para aplicações avançadas em chips. A velocidade de produção passou de aproximadamente 0,00004 polegada em cinco horas para cerca de 0,0008 polegada por minuto, um aumento de mil vezes que chamou a atenção do setor.

O método também oferece controle preciso das propriedades de dopagem, permitindo que engenheiros ajustem as características elétricas dos filmes resultantes. Essa capacidade de ajuste é crucial para integrar materiais 2D às arquiteturas CMOS existentes, uma etapa ainda necessária para a adoção comercial. A compatibilidade com a infraestrutura atual de semicondutores pode simplificar a integração futura, embora persistam desafios importantes de engenharia para passar da escala demonstrada até agora a pastilhas de produção completas.

Concorrência global e implicações estratégicas

O avanço em semicondutores ocorre em meio à intensificação da concorrência tecnológica entre as principais potências econômicas. De acordo com dados da Coleção de Conteúdo da Academia Chinesa de Ciências, instituições chinesas registraram forte crescimento tanto no número de artigos científicos quanto no de patentes relacionados à microeletrônica, e o país tem produzido muitos registros de propriedade intelectual voltados à aplicação comercial. Enquanto isso, os Estados Unidos adotaram estratégias agressivas para manter a liderança por meio do CHIPS and Science Act, que destinou US$ 52,7 bilhões ao fortalecimento da capacidade nacional de fabricação e pesquisa.

As tensões geopolíticas complicaram a cadeia global de suprimentos. Controles de exportação implementados em outubro de 2022 restringiram o acesso da China a equipamentos avançados para semicondutores e chips de computação. As restrições buscam limitar o avanço chinês em IA e tecnologias de defesa, mas também estimularam iniciativas de pesquisa nacionais voltadas à independência tecnológica. Os avanços em semicondutores 2D representam exatamente o tipo de pesquisa fundamental que poderia permitir à China contornar os gargalos impostos por equipamentos convencionais, desenvolvendo plataformas alternativas de materiais.

Segundo análises de mercado, o mercado global de equipamentos para semicondutores, avaliado em aproximadamente US$ 111,84 bilhões em 2025, deve chegar a US$ 268,06 bilhões até 2034. Esse crescimento é impulsionado pela transição para nós avançados abaixo de 5 nanômetros, nos quais a litografia ultravioleta extrema e novos materiais se tornam essenciais. A região da Ásia-Pacífico detém atualmente quase 69% do mercado, embora Europa e América do Norte estejam investindo fortemente para diversificar a produção e reduzir a dependência de cadeias de suprimentos concentradas.

Especialistas do setor observam que a passagem de demonstrações laboratoriais para a produção comercial exige vários anos de trabalho e colaboração entre cientistas de materiais, engenheiros de processos e físicos de dispositivos. A densidade de defeitos precisa cair a níveis que permitam o funcionamento confiável de bilhões de transistores em um único chip, e os novos materiais precisam se mostrar compatíveis com os processos existentes de litografia, corrosão e metalização. A abordagem de substrato de metal líquido desenvolvida pela equipe chinesa pode influenciar os princípios de engenharia em todo o setor, independentemente do material específico que venha a ser produzido em massa.

Desafios no caminho para a comercialização

Apesar dos promissores resultados de laboratório, vários obstáculos formidáveis separam as conquistas atuais dos produtos de consumo com transistores 2D. Manter a uniformidade em áreas maiores de pastilhas se torna exponencialmente mais difícil à medida que a produção aumenta. A transição de filmes de 36 por 18 milímetros para pastilhas de produção de 300 milímetros exige mais do que simplesmente ampliar a câmara de deposição química de vapor: requer manter precisão em escala atômica em áreas de superfície muito maiores.

O gerenciamento térmico é outro fator importante. Embora o nitreto de tungstênio e silício apresente propriedades térmicas favoráveis em comparação com algumas alternativas, materiais ultrafinos têm, por natureza, áreas transversais limitadas para o fluxo de calor. À medida que os transistores ficam mais compactos, a remoção do calor residual se torna essencial para manter o desempenho e evitar danos térmicos a estruturas delicadas. A resistência mecânica dos materiais 2D também precisa suportar os esforços físicos dos processos de fabricação, que envolvem etapas de corrosão, deposição e limpeza capazes de danificar camadas com espessura atômica.

A escassez de mão de obra qualificada agrava esses desafios técnicos. A Associação da Indústria de Semicondutores projetou que os Estados Unidos, sozinhos, terão um déficit de aproximadamente 67 mil técnicos, engenheiros e cientistas qualificados até 2030. Carências semelhantes afetam polos industriais em todo o mundo e podem desacelerar a implementação de novas tecnologias, mesmo depois que sua viabilidade for comprovada em pesquisas.

As preocupações ambientais também pesam sobre os planos de expansão. Uma única fábrica moderna que produz pastilhas de 12 polegadas consome aproximadamente 10 milhões de galões de água por dia. A grave seca que atingiu Taiwan em 2021 evidenciou a vulnerabilidade da fabricação de semicondutores a restrições de recursos. Os fabricantes estão adotando cada vez mais tecnologias de reciclagem e práticas sustentáveis, mas o consumo intensivo de energia e água na produção de chips continua sendo uma preocupação importante enquanto o setor considera construir novas instalações para acomodar materiais inovadores.

Em resumo

• Pesquisadores chineses desenvolveram uma técnica de deposição química de vapor que produz materiais semicondutores 2D mil vezes mais rápido que os métodos anteriores, a aproximadamente 20 micrômetros por minuto.
• O avanço usa um substrato de bicamada líquida de ouro e tungstênio para produzir folhas de nitreto de tungstênio e silício em escala de pastilha, enfrentando a escassez crítica de materiais 2D do tipo p de alto desempenho, necessários para pares de transistores CMOS.
• A inovação surge quando o silício se aproxima de limites físicos fundamentais abaixo de 5 nanômetros, com o tunelamento quântico e a dissipação de calor ameaçando interromper décadas de ganhos contínuos de desempenho sob a Lei de Moore.
• Semicondutores bidimensionais, com apenas alguns átomos de espessura, oferecem caminhos potenciais para continuar reduzindo o tamanho dos transistores com maior eficiência energética que a do silício tridimensional convencional.
• O desenvolvimento ocorre em meio à intensa concorrência global pela liderança em semicondutores: a China avança na produção de pesquisas, enquanto Estados Unidos e Europa investem bilhões por meio de leis CHIPS para garantir cadeias de suprimentos nacionais.
• A passagem das demonstrações de laboratório para a produção comercial exigirá superar desafios relacionados à densidade de defeitos, ao gerenciamento térmico, à uniformidade da fabricação e à integração com a infraestrutura existente.
• A projeção é que o mercado de equipamentos para fabricação de semicondutores cresça de US$ 111,84 bilhões em 2025 para US$ 268 bilhões em 2034, impulsionado pela demanda por computação de IA, nós avançados e novos materiais, incluindo semicondutores 2D.