Éra křemíku se chýlí ke konci. Giganti vyrobili tranzistory z materiálu silného jako jediný atom

Trojice imec, TSMC a ASML předvedla na 300mm waferu funkční tranzistory z materiálu tenčího než nanometr. Křemík tím poprvé dostal věrohodného nástupce.

Zdroj fotografie: Uživatel Raimond Spekking / Creative Commons / CC BY-SA

Červnové sympozium VLSI 2026 přineslo oznámení, které se v polovodičovém průmyslu neobjevuje často: tři největší hráči oboru společně ukázali, že dokážou na standardním 300mm waferu – tedy formátu, na kterém dnes běží sériová výroba čipů po celém světě – vyrobit komplementární tranzistory z materiálů silných v podstatě jako jediná atomární vrstva. Konkrétně jde o monovrstvy disulfidu molybdenu (MoS₂) pro n-type tranzistory a diselenidu wolframu (WSe₂) pro p-type tranzistory, přičemž každá vrstva má tloušťku přibližně 0,7 nanometru. Oba typy tranzistorů vznikly vedle sebe na jednom waferu s rozestupem pouhých 50 nanometrů a za využití extrémně ultrafialové (EUV) litografie. Nejde tedy o laboratorní demonstraci na malém vzorku, ale o technologický proof-of-concept v měřítku, kterému rozumí průmyslová výroba.

Proč se mluví o konci křemíku

Křemík zůstává dominantním materiálem polovodičového průmyslu a v komerčních čipech bude hrát klíčovou roli ještě minimálně v následujících letech. Jenže fyzika mu postupně nastavuje limity. Když se délka hradla tranzistoru dostane pod zhruba 10 nanometrů, musí být kanál extrémně tenký – a právě tam začínají problémy.

Podle studií publikovaných v Nature Communications při takovém zmenšení výrazně klesá pohyblivost nosičů náboje a roste svodový proud. Tranzistor se hůře vypíná, více „propouští“ a ztrácí energetickou efektivitu.

Dvourozměrné materiály ze skupiny přechodových kovových dichalkogenidů (TMD) se chovají jinak. Jejich krystalová struktura je přirozeně atomárně tenká, a přesto si zachovává velmi dobrou elektrostatickou kontrolu i nízké únikové proudy. Podle stejných studií lze v TMD kanálech dosáhnout vyšší hustoty integrace než u křemíku při stejné ploše.

Právě proto se o 2D materiálech mluví jako o logickém dalším kroku – ne jako o okamžité náhradě křemíku, ale jako o kandidátovi pro nejpokročilejší technologické uzly budoucnosti.

Tři giganti, jeden wafer

Za „trojicí gigantů“ stojí konkrétní instituce s jasnými rolemi. Belgický imec je největší nezávislé výzkumné centrum pro nanoelektroniku na světě a funguje jako most mezi výzkumem a průmyslovou výrobou. Tchajwanské TSMC je největší smluvní výrobce čipů, který převádí laboratorní technologie do masové produkce. A nizozemské ASML dodává EUV litografické stroje, bez nichž nelze vyrábět nejpokročilejší čipy.

Oficiální prezentace na VLSI 2026 nesla název „First EUV-enabled integration route for 50 nm pitch N and PMOS transistors with 2D materials channel from a 300 mm fab“ a mezi autorskými afiliacemi figurovaly všechny tři organizace.

Výsledky nejsou čistě akademické: přibližně 94 % vyrobených tranzistorů bylo funkčních, s definovaným poměrem maximálního a minimálního proudu přes 100 000. Dosažená délka kanálu byla kolem 28 nanometrů.

Klíčovým parametrem je rozteč 50 nanometrů. Intel ve stejném období na témže sympoziu uvedl, že jeho nejpokročilejší křemíková technologie 18A pracuje s obdobnou roztečí kontaktovaného poly pitch. Dvourozměrné tranzistory se tak poprvé dostaly na metriky srovnatelné s nejmodernějším křemíkem – i když celková výrobní vyspělost je zatím nesrovnatelná.

Cesta sem nebyla krátká

Tento milník nevznikl náhodou, ale navazuje na několik let vývoje:

• IEDM 2023: první planární pFET z WSe₂ na 300mm waferu.
• VLSI 2024: stabilní suchý přenos 2D vrstev s výtěžností přes 99,5 %.
• IEDM 2025: pokročilý WSe₂ pFET vyvinutý ve spolupráci s TSMC, využívající dvouvrstvý materiál a řízenou oxidaci pro vytvoření rozhraní s dielektrikem.
• Březen 2025: ASML a imec uzavřely pětileté strategické partnerství zahrnující EUV vybavení pilotních linek.
• Únor 2026: Evropská komise otevřela v Leuvenu pilotní linku NanoIC s investicí 2,5 miliardy eur zaměřenou na technologie pod hranicí 2 nm.

Právě na této infrastruktuře vznikl červnový výsledek. Tranzistory využívají architekturu se spodními kontakty (kanál je ukládán na předem definované wolframové kontaktní struktury) a překrývajícím hradlem. Celý proces je navržen tak, aby byl kompatibilní se stávajícími výrobními linkami.

Co to znamená pro běžného uživatele

Telefon ani notebook s 2D tranzistory se v nejbližších letech na trhu neobjeví. Imec ve své roadmapě počítá s prvním nasazením 2D součástek v tzv. éře A7, a to nejprve v pomocných částech čipů: napájecích regulátorech, spínačích, vestavěných pamětech DRAM nebo podpůrné logice. Širší využití ve výpočetních jádrech přijde až později – pravděpodobně v éře A3 a dále.

Podle roadmapy IEEE IRDS se klasické škálování křemíku podle Moorova zákona začne vyčerpávat kolem roku 2031. Poté bude růst výkonu stále více záviset na 3D integraci a nových materiálech. Reálně tak první produkty s 2D prvky dorazí do spotřebitelských zařízení v průběhu 30. let, přičemž přínos bude zpočátku spíše v nižší spotřebě a vyšší efektivitě než v dramatickém nárůstu výkonu.

Zbývá ale vyřešit několik zásadních problémů: kvalitu kontaktů, velkoplošnou výrobu kanálových vrstev, stabilní hradlový oxid bez dangling bondů, kontrolované dopování a variabilitu procesu. Žádný z nich zatím není triviální.

Česká stopa na okraji mapy

Přímo na demonstraci se české instituce nepodílely. Nepřímé zapojení ale existuje. Imec od dubna 2025 koordinuje evropskou Chips Design Platform, do níž je zapojeno i ČVUT. V projektu SPINS zaměřeném na kvantové pilotní linky se z České republiky účastní také společnost AMIRES.

Česko tak není přímým autorem tohoto průlomu, ale je součástí evropského ekosystému, který na podobných technologiích systematicky pracuje a může z nich v budoucnu těžit. Křemík nekončí. Ale poprvé má vedle sebe materiál, který mu v laboratorně-průmyslovém měřítku začíná konkurovat čísly, ne jen teorií.