परमाणु-जितने पतले इलेक्ट्रॉनिक्स में गति की सीमा तोड़ना
चीनी शोधकर्ताओं ने विनिर्माण क्षेत्र में ऐसी सफलता की घोषणा की है, जो वैश्विक सेमीकंडक्टर परिदृश्य को नया रूप दे सकती है। उन्होंने द्वि-आयामी सेमीकंडक्टर सामग्रियां उगाने की ऐसी विधि विकसित की है, जिसकी गति पारंपरिक तकनीकों से लगभग 1,000 गुना अधिक है। राष्ट्रीय रक्षा प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और चीनी विज्ञान अकादमी के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में हुए इस नवाचार से उस अहम बाधा को दूर करने में मदद मिल सकती है, जिसने लंबे समय से अगली पीढ़ी की चिपों की व्यावसायिक व्यवहार्यता में रुकावट पैदा की है।
विषय-सूची
इंस्टीट्यूट ऑफ मेटल रिसर्च के झू मेंगजियान और उनके सहयोगियों रेन वेंकाई तथा शू चुआन के नेतृत्व वाली शोध टीम ने अपने निष्कर्ष 26 मार्च को नेशनल साइंस रिव्यू पत्रिका में प्रकाशित किए। उनके काम में रासायनिक वाष्प निक्षेपण की संशोधित तकनीक का प्रदर्शन किया गया है, जिससे टंगस्टन सिलिकॉन नाइट्राइड की बड़ी चादरें लगभग 20 माइक्रोमीटर प्रति मिनट की रफ्तार से बनती हैं। यह पिछली उपलब्धियों की तुलना में बड़ी तेजी है, जिनमें सिर्फ 0.001 मिलीमीटर सामग्री उगाने में पांच घंटे लगते थे।
सिलिकॉन की सीमाएं क्यों सामने आ रही हैं
पांच दशक से अधिक समय से इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग मूर के नियम के मुताबिक आगे बढ़ा है। इस नियम के अनुसार, माइक्रोचिप पर ट्रांजिस्टर की संख्या लगभग हर दो साल में दोगुनी होती है, जबकि लागत घटती है। इसी क्रम ने स्मार्टफोन से लेकर सुपरकंप्यूटर तक हर चीज के विकास को गति दी और सिलिकॉन पर आधारित खरबों डॉलर का उद्योग खड़ा किया। हालांकि, ट्रांजिस्टर का आकार परमाणु स्तर के करीब पहुंचने के साथ ही बुनियादी भौतिकी इसकी राह में बाधा बनने लगी है।
लगभग 5 नैनोमीटर से कम आकार पर सिलिकॉन के इलेक्ट्रॉन क्वांटम यांत्रिक व्यवहार दिखाने लगते हैं, जो पारंपरिक कंप्यूटिंग को कमजोर करते हैं। क्वांटम टनलिंग के कारण इलेक्ट्रॉन उन अवरोधक परतों से भी निकल सकते हैं, जिन्हें उन्हें रोकना चाहिए। वहीं, घटक जितने करीब रखे जाते हैं, गर्मी को बाहर निकालना उतना ही मुश्किल होता जाता है। ये भौतिक सीमाएं आधुनिक तकनीकी प्रगति का आधार रहे विकास को रोकने का खतरा पैदा करती हैं।
कंप्यूटिंग शक्ति की मांग लगातार तेज हो रही है। इसकी बड़ी वजह कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रणालियां और बड़े भाषा मॉडल हैं, जिन्हें लगातार अधिक प्रसंस्करण क्षमता की जरूरत होती है। उद्योग के पूर्वानुमानों के मुताबिक, 2030 तक एआई कंप्यूटिंग की जरूरत 2023 के स्तर से 1,000 गुना बढ़ सकती है। मांग और सिलिकॉन की भौतिक सीमाओं के बीच बढ़ती खाई ने ऐसे वैकल्पिक पदार्थों की वैश्विक खोज को तेज किया है, जो पारंपरिक सेमीकंडक्टर विनिर्माण को आगे बढ़ा सकें या उसकी जगह ले सकें।
द्वि-आयामी सामग्रियों की संभावनाएं
द्वि-आयामी सेमीकंडक्टर पारंपरिक सिलिकॉन से आगे बढ़ने के सबसे आशाजनक रास्तों में से एक हैं। कभी-कभी सिर्फ एक परमाणु जितनी मोटी ये सामग्रियां बिजली का संचालन त्रि-आयामी क्रिस्टलों से बिल्कुल अलग तरीके से करती हैं। ठोस सिलिकॉन के विपरीत, जिसमें विद्युत धारा के प्रवाह का मार्ग एक ठोस खंड को तराशकर बनाया जाता है, 2डी सेमीकंडक्टर स्वाभाविक रूप से पतले होते हैं। इसलिए नैनो-स्तर की संरचनाएं बनाने के लिए सामग्री को भौतिक रूप से हटाने की जरूरत नहीं पड़ती।
इन अति-पतली परतों में क्वांटम सीमितता के प्रभाव विद्युत गुणों को बिगाड़ने के बजाय बेहतर बना सकते हैं। जब इलेक्ट्रॉन दो आयामों में गति करने तक सीमित होते हैं, तो उनकी न्यूनतम ऊर्जा बढ़ जाती है और इससे वह ऊर्जा-अंतराल प्रभावी रूप से चौड़ा हो जाता है, जो नियंत्रित करता है कि ट्रांजिस्टर चालू है या बंद। इसका मतलब है कि समान आकार पर 2डी सामग्री सिलिकॉन की तुलना में बेहतर ऊर्जा दक्षता और कम धारा रिसाव दे सकती है। इसलिए वे 5 नैनोमीटर से छोटे नोड वाली तकनीकों के लिए आदर्श उम्मीदवार हैं।
कई 2डी सामग्रियां पहले ही अच्छे प्रदर्शन के गुण दिखा चुकी हैं। मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और मोलिब्डेनम डिसेलेनाइड, जिन्हें ट्रांजिशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड यौगिकों के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, में स्वाभाविक ऊर्जा-अंतराल होते हैं, जो उन्हें चालक और विद्युतरोधी अवस्थाओं के बीच स्विच करने देते हैं। ये एन-टाइप सामग्रियां इलेक्ट्रॉनों के जरिये विद्युत धारा प्रवाहित करती हैं और प्रयोगशालाओं में इन्हें बनाना अपेक्षाकृत आसान रहा है। हालांकि, व्यावहारिक एकीकृत परिपथ बनाने के लिए सामग्रियों की पूरक जोड़ियों की जरूरत होती है।
पी-टाइप सामग्री की कमी का समाधान
आधुनिक ट्रांजिस्टर संरचनाएं दो अलग-अलग प्रकार के सेमीकंडक्टरों के मेल पर निर्भर करती हैं: एन-टाइप, जिसमें इलेक्ट्रॉन आवेश वाहक होते हैं, और पी-टाइप, जिसमें छिद्रों (क्रिस्टल जालक में इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति) के जरिये धनात्मक आवेश का संचालन होता है। कॉम्प्लिमेंटरी मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर संरचना, जिसे सीएमओएस कहते हैं, आज के सभी डिजिटल लॉजिक का आधार है। हर NAND, NOR और NOT गेट को दोनों प्रकार के सेमीकंडक्टर मिलकर चलाते हैं।
एन-टाइप 2डी सेमीकंडक्टर आसानी से उपलब्ध रहे हैं, लेकिन उच्च प्रदर्शन वाले और स्थिर पी-टाइप विकल्प अब तक हासिल करना बेहद मुश्किल रहा है। झू मेंगजियान ने इस कमी को सेमीकंडक्टर अनुसंधान की एक गंभीर बाधा और अत्यधिक प्रतिस्पर्धी क्षेत्र बताया। भरोसेमंद पी-टाइप सामग्री के बिना इंजीनियर कंप्यूटिंग के बुनियादी लॉजिक गेट नहीं बना सकते, चाहे एन-टाइप सामग्री कितनी ही उत्कृष्ट क्यों न हो।
चीनी टीम ने इस असंतुलन के समाधान के तौर पर टंगस्टन सिलिकॉन नाइट्राइड की पहचान की। इस सामग्री में स्वाभाविक रूप से पी-टाइप गुण होते हैं और इसके लिए बाहरी डोपिंग प्रक्रियाओं की जरूरत नहीं पड़ती, जो अक्सर अस्थिरता पैदा करती हैं। इन फिल्मों में छिद्रों की उच्च गतिशीलता और मजबूत धारा घनत्व के साथ-साथ अच्छी यांत्रिक मजबूती और ऊष्मा चालकता देखी गई। ये गुण संकेत देते हैं कि सामग्री व्यावसायिक चिप बनाने में जरूरी बहु-चरणीय लिथोग्राफी प्रक्रिया के दौरान बिना दरार पड़े या आधार से उखड़े टिक सकती है।
पेकिंग विश्वविद्यालय के प्रोफेसर पेंग हाइलिन, जो बिस्मथ ऑक्सीसलेनाइड का इस्तेमाल कर 2डी ट्रांजिस्टर की एक अलग लेकिन संबंधित परियोजना पर काम कर रहे हैं, ने डोपिंग के इस संतुलन का बुनियादी महत्व समझाया। सिलिकॉन के बाद की संरचनाओं पर केंद्रित उस शोध में उनकी टीम ने इंटेल की नवीनतम 3nm चिपों की तुलना में 40% अधिक गति हासिल की और बिजली की खपत 10% कम रखी। पेकिंग विश्वविद्यालय के समूह ने अपने विकास को शॉर्टकट लेने के बजाय दूसरी राह चुनने जैसा बताया, जो सिलिकॉन-आधारित डिजाइन से बुनियादी बदलाव का संकेत है।
सोने और टंगस्टन का नवाचार
उत्पादन की गति में यह बड़ी बढ़त रासायनिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रिया को नए सिरे से तैयार करने से संभव हुई, जिसका इस्तेमाल 2डी सेमीकंडक्टर फिल्में उगाने में होता है। पारंपरिक सीवीडी तकनीकों में गर्म किए गए आधारों पर शुरुआती गैसें प्रवाहित की जाती हैं और परमाणुओं के एक-एक परत में क्रिस्टलीकृत होने का इंतजार किया जाता है। यह प्रक्रिया ऐतिहासिक रूप से बेहद धीमी रही है, जिससे मिलीमीटर आकार के प्रयोगशाला नमूनों से व्यावसायिक उत्पादन में इस्तेमाल होने वाले 300-मिलीमीटर वेफर तक पहुंचना आर्थिक रूप से अव्यावहारिक था।
शोध टीम ने सामान्य ठोस आधार की जगह तरल सोने और टंगस्टन की दोहरी परत का इस्तेमाल किया। तरल सोने की सतह क्रिस्टल के दानों के बीच की सीमाएं खत्म करती है और क्रिस्टल बनने के लिए एक समान, चिकना आधार देती है। इससे शुरुआती गैसों के परमाणु पारंपरिक ठोस आधारों की तुलना में सतह पर कहीं तेजी से फैल सकते हैं। वहीं, नीचे की टंगस्टन परत टंगस्टन सिलिकॉन नाइट्राइड फिल्म के लिए जरूरी तत्वों में से एक देती है, जिससे गैस के जरिये तत्व पहुंचाने पर निर्भरता घटती है। यह तरीका अक्सर विकास की गति को सीमित करता है।
आधार में इस बदलाव से लगभग 36 गुणा 18 मिलीमीटर आकार की एकल-परत फिल्में बन सकीं, जिससे 2डी सेमीकंडक्टर वेफर-स्तर के विनिर्माण के दायरे में आ गए। तैयार सामग्री ने उन्नत चिपों में जरूरी मजबूत विद्युत प्रदर्शन, टिकाऊपन और गर्मी सहने की क्षमता दिखाई। उत्पादन की गति पांच घंटे में लगभग 0.00004 इंच से बढ़कर करीब 0.0008 इंच प्रति मिनट हो गई। यह 1,000 गुना तेजी है, जिसने उद्योग का ध्यान खींचा है।
यह विधि डोपिंग गुणों पर सटीक नियंत्रण भी देती है, जिससे इंजीनियर तैयार फिल्मों के विद्युत गुणों को जरूरत के मुताबिक बदल सकते हैं। मौजूदा सीएमओएस संरचनाओं में 2डी सामग्रियों को शामिल करने के लिए यह क्षमता बेहद अहम है और व्यावसायिक इस्तेमाल की दिशा में जरूरी कदम है। मौजूदा सेमीकंडक्टर बुनियादी ढांचे के साथ इसकी अनुकूलता भविष्य में एकीकरण को आसान बना सकती है, हालांकि मौजूदा प्रदर्शन आकार से पूर्ण उत्पादन वेफर तक पहुंचने में बड़ी इंजीनियरिंग चुनौतियां बनी हुई हैं।
वैश्विक प्रतिस्पर्धा और रणनीतिक असर
सेमीकंडक्टर क्षेत्र की यह सफलता प्रमुख आर्थिक शक्तियों के बीच बढ़ती तकनीकी प्रतिस्पर्धा के दौर में सामने आई है। सीएएस कंटेंट कलेक्शन के आंकड़ों के मुताबिक, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स से जुड़े जर्नल प्रकाशनों और पेटेंट, दोनों में चीनी संस्थानों की तेज बढ़त दिखी है। देश में व्यावसायिक इस्तेमाल पर केंद्रित कई बौद्धिक संपदा आवेदन दाखिल किए जा रहे हैं। वहीं, अमेरिका ने सीएचआईपीएस और साइंस एक्ट के जरिये अपना नेतृत्व बनाए रखने की आक्रामक रणनीति अपनाई है। इस कानून के तहत घरेलू विनिर्माण और अनुसंधान क्षमताओं को मजबूत करने के लिए 52.7 अरब डॉलर आवंटित किए गए।
भू-राजनीतिक तनावों ने वैश्विक आपूर्ति शृंखला को जटिल बना दिया है। अक्टूबर 2022 में लागू निर्यात नियंत्रणों ने चीन की उन्नत सेमीकंडक्टर उपकरणों और कंप्यूटिंग चिपों तक पहुंच सीमित कर दी। इन पाबंदियों का मकसद एआई और रक्षा तकनीकों में चीन की प्रगति को रोकना है, लेकिन इनसे तकनीकी आत्मनिर्भरता हासिल करने के उद्देश्य से घरेलू अनुसंधान पहल भी तेज हुई हैं। 2डी सेमीकंडक्टर की प्रगति इसी तरह के बुनियादी शोध का उदाहरण है, जो वैकल्पिक सामग्री मंच विकसित कर चीन को पारंपरिक उपकरणों की बाधाओं से आगे निकलने में मदद कर सकता है।
बाजार विश्लेषण के मुताबिक, वैश्विक सेमीकंडक्टर उपकरण बाजार का मूल्य 2025 में लगभग 111.84 अरब डॉलर है और 2034 तक इसके 268.06 अरब डॉलर तक पहुंचने का अनुमान है। इस वृद्धि के पीछे 5 नैनोमीटर से छोटे उन्नत नोड की ओर बदलाव है, जहां अत्यधिक पराबैंगनी लिथोग्राफी और नई सामग्रियां जरूरी हो जाती हैं। फिलहाल एशिया-प्रशांत क्षेत्र की बाजार हिस्सेदारी लगभग 69% है, हालांकि आपूर्ति शृंखलाओं पर निर्भरता घटाने के लिए यूरोप और उत्तरी अमेरिका भी भारी निवेश कर रहे हैं।
उद्योग विशेषज्ञों का कहना है कि प्रयोगशाला में किए गए प्रदर्शन से व्यावसायिक उत्पादन तक पहुंचने में कई साल लगते हैं और इसके लिए सामग्री वैज्ञानिकों, प्रक्रिया इंजीनियरों तथा डिवाइस भौतिकविदों के बीच सहयोग जरूरी है। दोषों का घनत्व इतना कम करना होगा कि एक ही चिप पर अरबों ट्रांजिस्टर भरोसेमंद तरीके से काम कर सकें। नई सामग्रियों को मौजूदा लिथोग्राफी, एचिंग और धातु-लेपन प्रक्रियाओं के अनुकूल भी साबित होना होगा। चीनी टीम द्वारा विकसित तरल धातु के आधार की विधि उद्योग भर में इंजीनियरिंग के सिद्धांतों को प्रभावित कर सकती है, भले ही बड़े पैमाने के उत्पादन में अंततः कोई दूसरी सामग्री इस्तेमाल हो।
व्यावसायिक इस्तेमाल की राह में चुनौतियां
प्रयोगशाला के उत्साहजनक नतीजों के बावजूद, 2डी ट्रांजिस्टर वाले उपभोक्ता उत्पादों तक पहुंचने से पहले कई बड़ी बाधाएं पार करनी होंगी। उत्पादन बढ़ने के साथ बड़े वेफर क्षेत्रों में एकरूपता बनाए रखना तेजी से कठिन होता जाता है। 36 गुणा 18 मिलीमीटर फिल्मों से 300-मिलीमीटर उत्पादन वेफर तक पहुंचने के लिए केवल रासायनिक वाष्प निक्षेपण कक्ष का आकार बढ़ाना काफी नहीं है; बहुत बड़े सतह क्षेत्र में परमाणु स्तर की सटीकता बनाए रखना भी जरूरी है।
गर्मी का प्रबंधन एक और बड़ी चुनौती है। कुछ विकल्पों की तुलना में टंगस्टन सिलिकॉन नाइट्राइड के ऊष्मीय गुण बेहतर हैं, लेकिन अति-पतली सामग्रियों में गर्मी प्रवाह के लिए अनुप्रस्थ क्षेत्र स्वाभाविक रूप से सीमित होता है। जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर अधिक सघनता से रखे जाते हैं, प्रदर्शन बनाए रखने और नाजुक संरचनाओं को गर्मी से होने वाले नुकसान से बचाने के लिए अतिरिक्त ऊष्मा निकालना जरूरी हो जाता है। 2डी सामग्रियों की यांत्रिक मजबूती भी ऐसी विनिर्माण प्रक्रियाओं का दबाव सहने लायक होनी चाहिए, जिनमें एचिंग, निक्षेपण और सफाई के चरण शामिल हैं और जो परमाणु-जितनी पतली परतों को नुकसान पहुंचा सकते हैं।
कुशल श्रमिकों की कमी इन तकनीकी चुनौतियों को और बढ़ाती है। सेमीकंडक्टर इंडस्ट्री एसोसिएशन ने अनुमान लगाया है कि 2030 तक अकेले अमेरिका में लगभग 67,000 कुशल तकनीशियनों, इंजीनियरों और वैज्ञानिकों की कमी होगी। दुनिया भर के विनिर्माण केंद्रों में भी ऐसी ही कमी है, जो शोध के स्तर पर नई तकनीकों के कारगर साबित होने के बाद भी उनके कार्यान्वयन की गति धीमी कर सकती है।
विस्तार की योजनाओं पर पर्यावरण संबंधी चिंताओं का भी बड़ा असर है। 12-इंच वेफर बनाने वाला एक आधुनिक फैब रोजाना करीब 1 करोड़ गैलन पानी खर्च करता है। 2021 में ताइवान में पड़े भीषण सूखे ने सेमीकंडक्टर विनिर्माण की संसाधनों की कमी के प्रति संवेदनशीलता उजागर की। निर्माता तेजी से पानी के पुनर्चक्रण की तकनीकें और टिकाऊ तौर-तरीके अपना रहे हैं, लेकिन नई सामग्रियों के लिए कारखाने बनाने की योजनाओं पर विचार करते समय चिप उत्पादन में ऊर्जा और पानी की भारी खपत अब भी एक अहम पहलू है।
निचोड़
- चीनी शोधकर्ताओं ने रासायनिक वाष्प निक्षेपण की ऐसी तकनीक विकसित की है, जिससे 2डी सेमीकंडक्टर सामग्री पिछली विधियों की तुलना में 1,000 गुना तेजी से बनती है। इसकी गति लगभग 20 माइक्रोमीटर प्रति मिनट है।
- इस उपलब्धि में तरल सोने और टंगस्टन की दोहरी परत वाले आधार से टंगस्टन सिलिकॉन नाइट्राइड की वेफर-आकार की चादरें बनाई जाती हैं। इससे सीएमओएस ट्रांजिस्टर की जोड़ियों के लिए जरूरी उच्च प्रदर्शन वाली पी-टाइप 2डी सामग्री की गंभीर कमी को दूर करने में मदद मिलती है।
- यह नवाचार ऐसे समय में आया है जब 5 नैनोमीटर से छोटे आकार पर सिलिकॉन अपनी बुनियादी भौतिक सीमाओं के करीब पहुंच रहा है। क्वांटम टनलिंग और गर्मी को बाहर निकालने की समस्या से मूर के नियम के तहत दशकों से जारी प्रदर्शन सुधार रुकने का खतरा है।
- कुछ ही परमाणुओं जितने पतले द्वि-आयामी सेमीकंडक्टर पारंपरिक त्रि-आयामी सिलिकॉन की तुलना में बेहतर ऊर्जा दक्षता के साथ ट्रांजिस्टर का आकार घटाते रहने के संभावित रास्ते देते हैं।
- यह विकास सेमीकंडक्टर क्षेत्र में वैश्विक वर्चस्व की तीव्र प्रतिस्पर्धा के बीच हुआ है। चीन अनुसंधान उत्पादन बढ़ा रहा है, जबकि अमेरिका और यूरोप घरेलू आपूर्ति शृंखलाएं सुरक्षित करने के लिए सीएचआईपीएस कानूनों के तहत अरबों डॉलर का निवेश कर रहे हैं।
- प्रयोगशाला के प्रदर्शन से व्यावसायिक उत्पादन तक पहुंचने के लिए दोषों का घनत्व घटाने, गर्मी के प्रबंधन, विनिर्माण में एकरूपता और मौजूदा उत्पादन ढांचे में एकीकरण जैसी चुनौतियों से पार पाना होगा।
- सेमीकंडक्टर विनिर्माण उपकरणों का बाजार 2025 के 111.84 अरब डॉलर से बढ़कर 2034 तक 268 अरब डॉलर तक पहुंचने का अनुमान है। इस वृद्धि के पीछे एआई कंप्यूटिंग, उन्नत नोड और 2डी सेमीकंडक्टर समेत नई सामग्रियों की मांग है।
