Массовая 3D-интеграция 2D полупроводниковых транзисторов ускоряет закон Мура

Electronics & Sensors INSIDER

Исследователи Пенн-стейта продемонстрировали 3D-интеграцию полупроводников в массовом масштабе, характеризуя десятки тысяч устройств с использованием 2D-транзисторов из 2D-полупроводников, что позволяет электронным гаджетам стать умнее и универсальнее. (Изображение: Элизабет Флорес-Гомес Муррей / Materials Research Institute. Все права защищены)

Закон Мура, фундаментальный принцип масштабирования электронных устройств, предсказывает удвоение числа транзисторов на чипе каждые два года, обеспечивая больше вычислительной мощности — но предел существует.

Самые передовые современные чипы содержат почти 50 миллиардов транзисторов в пространстве не больше ногтя. Задача втиснуть еще больше транзисторов в это ограниченное пространство стала все более сложной, по мнению исследователей Пенн-стейта.

В исследовании, опубликованном 10 января 2024 года в журнале Nature, Саптарши Дас, доцент инженерной науки и механики и соавтор-корреспондент, и его команда предлагают решение: бесшовную реализацию 3D-интеграции с 2D-материалами.

3D-интеграция в полупроводниках

В мире полупроводников 3D-интеграция означает вертикальную стопку нескольких слоев полупроводниковых устройств. Этот подход не только облегчает упаковку большего числа кремниевых транзисторов на компьютерный чип, обычно называемую «More Moore», но и позволяет использовать транзисторы из 2D-материалов для включения разнообразных функциональностей в различных слоях стека, концепция, известная как «More than Moore».

С работой, изложенной в исследовании, Саптарши и команда демонстрируют реалистичные пути за пределами масштабирования текущих технологий для достижения как More Moore, так и More than Moore через монолитную 3D-интеграцию. Монолитная 3D-интеграция — это процесс fabricación, при котором исследователи напрямую создают каждое устройство на том, что ниже, в отличие от традиционного процесса стопки независимо изготовленных слоев.

«Монолитная 3D-интеграция предлагает наивысшую плотность вертикальных соединений, так как она не полагается на сшивку двух предварительно структурированных чипов — что потребовало бы микропятечек для сшивки двух чипов — поэтому у вас больше места для создания соединений», — сказал Наджам Сакиб, аспирант-исследователь в инженерной науке и механике и соавтор исследования.

Вызов температуры и решение с 2D-материалами

Монолитная 3D-интеграция сталкивается с серьезными вызовами, согласно Дарсит Джаячандран, аспиранту-исследователю в инженерной науке и механике и соавтору-корреспонденту, поскольку обычные кремниевые компоненты расплавились бы при температурных процессах.

«Один вызов — потолок процессной температуры 450 °C для задней интеграции для кремниевых чипов. Наш подход монолитной 3D-интеграции снижает эту температуру значительно, до менее 200 °C», — сказал Джаячандран, объясняя, что потолок процессной температуры — это максимальная температура, допустимая до повреждения предварительно изготовленных структур. «Несовместимые температурные бюджеты процесса делают монолитную 3D-интеграцию сложной с кремниевыми чипами, но 2D-материалы могут выдерживать температуры, необходимые для процесса».

Исследователи использовали существующие техники для своего подхода, но они первые, кто успешно достиг монолитной 3D-интеграции в таком масштабе с использованием 2D-транзисторов, сделанных из 2D-полупроводников, называемых дихалкогенидами переходных металлов.

Энергоэффективность за счет уменьшения расстояний

Способность вертикально стакать устройства в 3D-интеграции также обеспечила более энергоэффективные вычисления, потому что решила удивительную проблему для таких крошечных вещей, как транзисторы на компьютерном чипе: расстояние.

«Стакая устройства вертикально друг на друге, вы уменьшаете расстояние между устройствами, и поэтому уменьшаете задержку и потребление энергии», — сказал Рахул Пендуртхи, аспирант-исследователь в инженерной науке и механике и соавтор-корреспондент.

Уменьшая расстояние между устройствами, исследователи достигли «More Moore». Включая транзисторы из 2D-материалов, они выполнили критерий «More than Moore». 2D-материалы известны своими уникальными электронными и оптическими свойствами, включая чувствительность к свету, что делает их идеальными как сенсоры. Это полезно, говорят исследователи, так как количество подключенных устройств и пограничных устройств — таких как смартфоны или беспроводные домашние метеостанции, собирающие данные на «краю» сети — продолжает расти.

«More Than Moore» относится к концепции в технологическом мире, где мы не просто делаем компьютерные чипы меньше и быстрее, но и с большей функциональностью», — сказал Мухтасим Уль Карим Садаф, аспирант-исследователь в инженерной науке и механике и соавтор. «Это о добавлении новых и полезных функций к нашим электронным устройствам, таких как лучшие сенсоры, улучшенное управление батареей или другие специальные функции, чтобы сделать наши гаджеты умнее и универсальнее».

Дополнительные преимущества 2D-устройств

Использование 2D-устройств для 3D-интеграции имеет несколько других преимуществ, отмечают исследователи. Одно — высокая подвижность носителей заряда, относящаяся к тому, как электрический заряд переносится в полупроводниковых материалах. Другое — ультратонкость, позволяющая разместить больше транзисторов на каждом ярусе 3D-интеграции и обеспечить больше вычислительной мощности.

В то время как большинство академических исследований включают прототипы малого масштаба, это исследование продемонстрировало 3D-интеграцию в массовом масштабе, характеризуя десятки тысяч устройств. По словам Даса, это достижение сокращает разрыв между академией и промышленностью и может привести к будущим партнерствам, где промышленность будет использовать экспертизу Пенн-стейта в 2D-материалах и объекты. Прогресс в масштабировании был возможен благодаря доступности высококачественных, вейфер-масштабных дихалкогенидов переходных металлов, разработанных исследователями Консорциума двухмерных кристаллов Пенн-стейта (2DCC-MIP), платформы инноваций материалов Национального научного фонда (NSF) и национального пользовательского объекта.

«Этот прорыв снова демонстрирует существенную роль материаловедения как фундамента полупроводниковой промышленности и конкурентоспособности США», — сказал Чарльз Йинг, директор программы NSF для платформ инноваций материалов. «Годы усилий Консорциума двухмерных кристаллов Пенн-стейта по улучшению качества и размера 2D-материалов сделали возможным достижение 3D-интеграции полупроводников в размере, который может быть трансформативным для электроники».

По словам Даса, это технологическое достижение — только первый шаг.

«Наша способность продемонстрировать в вейфер-масштабе огромное количество устройств показывает, что мы смогли перевести это исследование на масштаб, который может быть оценен полупроводниковой промышленностью», — сказал Дас. «Мы разместили 30 000 транзисторов в каждом ярусе, что может быть рекордом. Это ставит Пенн-стейт в уникальное положение для руководства частью работы и партнерства с американской полупроводниковой промышленностью в продвижении этого исследования».

Источник