“Mi lenne, ha az elektronikus szűk keresztmetszetek nem léteznének, és az adatok zökkenőmentesen áramolhatnának a chipek között?” – ezzel a kérdéssel fogalmazta meg Cédric Huyghebaert, a Black Semiconductor műszaki igazgatója és társalapítója azt az ambíciót, amely Európa egyik legmerészebb fotonikai startupját vezérli.
A grafén és a fotonika találkozása: új chipkategória születik
Eindhovenben, a PIC Summit Europe 2025 konferencián Huyghebaert bemutatta, hogyan használja vállalata a grafén egyedi tulajdonságait arra, hogy közvetlenül beépítse a fotonikát a félvezetőgyártásba. „Egy új chipkategóriáról beszélünk” – mondta. „Mostantól az Ön CMOS technológiája két nyelven beszél: elektronikusan és fotonikusan.”
A graféntől a gyártósorig: hosszú út a laboratóriumtól az iparig
„Amikor elkezdtük tanulmányozni a grafént,” emlékezett vissza Huyghebaert, „mindenki azt hitte, hogy megtaláltuk az új szilíciumot.” A grafén rendkívüli mozgékonysága és vezetőképessége miatt sokan elképzelték, hogy teljesen kiválthatja a CMOS tranzisztorokat. „Szerencsére azonban” – mosolygott –, „a grafénnek nincs tiltott sávja (band gap), hanem egy különös sávstruktúrája van, ami végül előnyünkre vált.”
Kezdeti kísérleteik egyszerűek voltak: egyetlen atom vastagságú grafénréteget hántoltak le laboratóriumi körülmények között. „Fénynek tettük ki, és azt tapasztaltuk, hogy 2,3%-át elnyeli; ez sok egy monoréteg esetében, de nem elég eszközök építéséhez.” A kulcsfontosságú felismerés akkor érkezett, amikor tudósok laminálták a grafént egy hullámvezetőre, így a fény többször is kölcsönhatásba léphetett vele. „Ekkor már szabályozni lehetett az elnyelést, akár teljesen el is nyelhette a fényt” – magyarázta Huyghebaert.
Ez megnyitotta az utat a grafén modulátorok és fotodetektorok előtt – olyan eszközök előtt, amelyek rendkívüli sebességgel képesek manipulálni és érzékelni a fényt. „A laborban fantasztikusan működött” – mondta –, „de hogyan kapcsoljuk ezt össze elektronikával? Hogyan hozzuk ipari méretbe? Itt kezdődött el a Black Semiconductor története.”
EPIC-ek: az elektronikus-fotonikus integrált áramkörök új dimenziója
A hagyományos megközelítésekben az elektronika és fotonika kombinálása bonyolult és költséges csomagolási folyamatokat igényel: kötés, vékonyítás és több lapka egymásra helyezése. „Ez nagyon összetett” – mondta Huyghebaert. „Mi ehelyett egy EPIC-et kínálunk: elektronikus-fotonikus integrált áramkört. Mindkét technológiát szabványos ipari folyamatokkal integráljuk. Nincs szükség lift-off-ra vagy egzotikus eszközökre.”
Az eredmény forradalmi egyszerűség: fotonika gyártható szabványos CMOS gyártósorokon belül, lehetővé téve az adatmozgatást fény segítségével elektronok helyett. „Bármit is készítünk alul a chipen,” mondta, „mostantól két nyelven beszélhet: elektronikusan számolhat és optikusan kommunikálhat. Ez igazi játékváltás.”
Kihívások: minőség, reprodukálhatóság és skálázhatóság
A grafén potenciálját azonban számos nehézség kíséri. „Nem mehetünk csak úgy egy gyártóhoz azzal, hogy integrálják nekünk a grafént – legalábbis mi nem találtunk ilyet” – ismerte el Huyghebaert. A fő problémák: minőség és reprodukálhatóság. „A grafén fantasztikus, de megbízhatatlan” – fogalmazott. „Ezért fejlesztünk egységes kristályos grafént 200 milliméteres wafer méreten, amelyet 300 milliméterre skálázunk. Ez létfontosságú a stabilitás szempontjából.”
A transzferfolyamat is bonyolult: „Grafént egy sablonra növesztünk, majd áthelyezzük waferre, de megőrizni annak tökéletességét nehéz. A CMOS történetében is ez volt az egyik legnagyobb akadály addig, amíg megtanulták kontrollálni a gate oxidot. Most ugyanezt kell megtennünk a grafénnel.”
A harmadik kihívás maga a skálázhatóság: „Még ha működik is, képesek vagyunk évente 100 000 vagy akár egymillió wafer előállítására? Ha minden chipen szeretnénk fotonikát látni, tömeggyártási tervre van szükség.”
Európa grafén-pillanata: együttműködés és támogatás
Aachenben működő Black Semiconductor válasza európai együttműködésben született meg. „Európának mély hagyományai vannak a grafénkutatásban,” emlékeztette hallgatóságát Huyghebaert az EU Graphene Flagship programjára hivatkozva. „2021-ben elkezdtünk párbeszédet folytatni döntéshozókkal arról, hogy Európának meg kell tartania ezt a technológiát.”
A cég sikerrel járt: 2024 júniusában IPCEI támogatást (Fontos Közös Európai Érdekű Projekt) nyertek el egy 300 milliméteres pilot gyártósor építésére integrált grafén fotonika számára. „Jelenleg tervezünk,” mondta Huyghebaert. „A gyártósor 2026 közepére lesz üzemképes, teljes kapacitással pedig 2027 elején indul be; termékminták pedig hamarosan érkeznek.”
A vállalat növekedése ugyancsak gyors volt: „2022-ben még csak ketten voltunk,” mesélte. „Ma már 130-an vagyunk, jövőre pedig várhatóan 240-en leszünk.” Ez saját kihívásokat hoz magával: „Tehetséget találni nehéz,” ismerte el –, de még nehezebb ezt összehangolni. Időbe telik, míg az új kollégák hatékonyak lesznek; ezen dolgozunk most.”
Túl a szilícium-fotonikán: új korszak kezdete
A mai szilícium-fotonika (SiPh) technológia – amely az optikai összeköttetések munkamágnese – korlátokba ütközik amikor beépítik azt chipgyártás back-end-of-line (BEOL) folyamataiba. „A SiPh magas hőmérsékletet igényel és anyagokat használ, amelyek nem kompatibilisek BEOL-lal” – magyarázta Huyghebaert. Ezzel szemben a grafén tökéletesen illeszkedik: alacsony hőmérsékletű folyamatokkal gyártható CMOS-kompatibilis anyagként, amely lehetővé teszi nagysebességű modulátorok és detektorok létrehozását.
Ez az összhang újradefiniálhatja számítógép-architektúránkat is: „Lehetővé teszi számunkra, hogy újragondoljuk miként kommunikálnak egymással a chipek; közvetlenül fénnyel ugyanabban az egymásra épített rétegben. Így törjük át azt az összeköttetési szűk keresztmetszetet, amely visszatartja az AI fejlődését.”
“A grafén fotonika megszünteti az elektronikus szűk keresztmetszeteket korlátlan adatátvitelért.”
Következő lépések: üvegpanel interpozerek és optikai hálózatok
A Black Semiconductor emellett üvegpanel interpozereket is fejleszt – ez egy feltörekvő platform a következő generációs számítástechnikai rendszerekhez. „Az üveg csökkenti a jelveszteséget, javítja a sávszélességet és lehetővé teszi komplexebb rendszerarchitektúrákat” – magyarázta Huyghebaert. „Az integrált grafén fotonikával kombinálva zökkenőmentes optikai hálózatot hoz létre chipletek között.”
Korai laboratóriumi teszteken modulátoraik már most ígéretes sebességeket mutatnak: jelenleg 5 GHz-et érnek el modulációban, de tervben van 20–25 GHz modulációs sebesség és 60 GHz-es fotodetektorok fejlesztése is. „Csak most tesszük meg első lépéseinket,” mondta –, de pontosan tudjuk merre vezet az út.”
Az utolsó gondolatok: intelligens back-end of line 2D anyagokkal
Zárásként Huyghebaert utalt utolsó tudományos publikációjára még Black Semiconductor alapítása előtt: „A 2D anyagok intelligenssé tehetik a back end of line-t”. Pontosan ezt valósítják meg most: okosabbá teszik chip hátoldalát optikai réteggé alakítva.
„Nem célunk kiváltani a CMOS-t,” hangsúlyozta –, hanem kiegészíteni azt úgy, hogy aktív optikai réteggé váljon a chip hátoldala. Ez egy új chipkategória első verziója; valódi elektronikus-fotonikus integrációval. Így gondolkodunk újra számítástechnikáról.”
Huyghebaert üzenete világos: A következő számítástechnikai forradalom nem csupán gyorsabb tranzisztoroktól fog érkezni; hanem attól a fénytől, amely egyetlen szénrétegen keresztül áramlik.
Forrás: https://ioplus.nl/en/posts/the-graphene-revolution-that-could-redefine-computing-
