Электронная промышленность приближается к ограничению количества транзисторов, которые могут быть упакованы на поверхность компьютерного чипа. Таким образом, производители чипов стремятся создать, а не выходить.
Вместо того, чтобы сжать вечно смаллирующие транзисторы на одну поверхность, отрасль стремится складывать несколько поверхностей транзисторов и полупроводниковых элементов-сродни превращению ранчо в высокий уровень. Такие многослойные чипы могут обрабатывать экспоненциальные данные и выполнять гораздо более сложные функции, чем сегодняшняя электроника.
Однако значительным препятствием является платформа, на которой строятся чипы. Сегодня громоздкие кремниевые пластины служат основным каркасом, на котором выращиваются высококачественные, однокристаллические полупроводниковые элементы. Любой укладчик должен включать в себя толстые кремниевые «полы» как часть каждого слоя, замедляя любую связь между функциональными полупроводниковыми слоями.
Теперь инженеры MIT нашли способ обойти это препятствие, с многослойной конструкцией чипа, которая не требует каких -либо подложков кремниевой пластин и работает при температуре достаточно низкой, чтобы сохранить схему базового слоя.
В исследовании, появившемся сегодня в журнале ПриродаКоманда сообщает, что использует новый метод для изготовления многослойного чипа с чередующимися слоями высококачественного полупроводникового материала, выращенного непосредственно друг на друга.
Метод позволяет инженерам строить высокопроизводительные транзисторы и память и логические элементы на любой случайной кристаллической поверхности-не только на громоздких кристаллических каркасах кремниевых пластиков. По словам исследователей, без этих толстых кремниевых субстратов могут быть несколько полупроводниковых слоев, что приводит к лучшему и более быстрому общению и вычислению между слоями.
Исследователи предполагают, что этот метод может быть использован для создания аппаратного обеспечения ИИ, в виде сложенных чипов для ноутбуков или носимых устройств, которые будут такими же быстрыми и мощными, как и сегодняшние суперкомпьютеры и могут хранить огромные объемы данных на уровне физических данных.
«Этот прорыв открывает огромный потенциал для полупроводниковой промышленности, позволяя сложить чипы без традиционных ограничений», – говорит автор исследования Дживан Ким, доцент машиностроения в MIT. «Это может привести к улучшению порядков матчей в вычислительной мощности для приложений в области искусственного интеллекта, логики и памяти».
Среди соавторов MIT в исследовании первого автора Ки Шок Ким, Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-Chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng и Sangho Lee вместе с Сотрудники из современного технологического института Samsung, Университет Sungkyunkwan в Южной Корее и Университет Техаса в Далласе.
Семенные карманы
В 2023 году группа Ким сообщила, что разработала метод выращивания высококачественных полупроводниковых материалов на аморфных поверхностях, аналогично разнообразной топографии полупроводниковой схемы на готовых чипах. Материал, который они выращивали, представлял собой тип двухмерного материала, известного как дихалькогениды переходного металла, или TMD, считался перспективным преемником кремния для изготовления более мелких, высокоэффективных транзисторов. Такие 2D -материалы могут сохранить свои полупроводниковые свойства даже в масштабах, столь же малых, как один атом, тогда как производительность кремния резко ухудшается.
В своей предыдущей работе команда выросла на кремниевых пластинах с аморфными покрытиями, а также из -за существующих TMD. Чтобы поощрять атомы договориться о высококристаллической форме, а не в случайном поликристаллическом расстройстве, Ким и его коллеги сначала покрыли кремниевую пластину в очень тонкой пленке или «маска» диоксида кремния, которую они рисунны Крошечные отверстия или карманы. Затем они пропустили газ атомов по маске и обнаружили, что атомы поселились в карманах как «семена». Карманы ограничивали семена расти в регулярных, однокристаллических узорах.
Но в то время метод работал только на 900 градусов по Цельсию.
«Вы должны выращивать этот однокристаллический материал ниже 400 Цельсия, в противном случае основная схема полностью приготовлена и разрушена»,-говорит Ким. «Итак, наша домашняя работа была, нам пришлось выполнить аналогичную технику при температуре ниже 400 по Цельсию. Если бы мы могли сделать это, влияние было бы существенным ».
Создание
В своей новой работе Ким и его коллеги надеялись точно настроить свой метод, чтобы выращивать однокристаллические 2D-материалы при температуре достаточно низко, чтобы сохранить любую базовую схему. Они нашли удивительно простое решение в металлургии – наука и ремесло производства металлов. Когда металлурги вкладывают расплавленный металл в форму, жидкость медленно «нуклеаты» или образует зерна, которые растут и сливаются в регулярно рисунок кристалл, который затвердевает в твердую форму. Металлурги обнаружили, что это зарождение происходит наиболее легко по краям формы, в которую выливают жидкий металл.
«Известно, что зарождение по краям требует меньшей энергии – и тепло», – говорит Ким. «Таким образом, мы одолжили эту концепцию из металлургии, чтобы использовать для будущего аппаратного обеспечения AI».
Команда решила выращивать однокристаллические TMD на кремниевой пластине, которая уже была изготовлена с помощью транзисторной схемы. Сначала они покрыли схему маской диоксида кремния, как и в их предыдущей работе. Затем они откладывали «семена» TMD по краям каждого из карманов маски и обнаружили, что эти краевые семена превращались в однокристаллический материал при температуре до 380 градусов по Цельсию, по сравнению с семенами, которые начали расти в центре, вдали от края каждого кармана, который требовал более высоких температур для образования однокристаллического материала.
Сделав еще один шаг, исследователи использовали новый метод для изготовления многослойного чипа с чередующимися слоями двух разных TMD-дисульфид молибдена, многообещающий кандидат на материал для изготовления транзисторов N-типа; и вольфрамовый дискетенид, материал, который может быть превращен в транзисторы P-типа. Как транзисторы P- и N-типа являются электронными строительными блоками для выполнения любой логической работы. Команда смогла вырастить оба материала в однокристаллической форме, непосредственно друг на друга, не требуя каких-либо промежуточных кремниевых пластин. Ким говорит, что метод будет эффективно удвоить плотность полупроводниковых элементов чипа, и, в частности, полупроводник (CMOS) металла (CMOS), который является основным строительным блоком современной логической схемы.
«Продукт, реализованный нашей техникой, представляет собой не только 3D -логический чип, но и 3D -память и их комбинации», – говорит Ким. «Благодаря нашему монолитному 3D-методу, основанному на росте, вы можете вырастить десятки до сотен логики и слоев памяти, расположенных друг с другом, и они смогут очень хорошо общаться».
«Обычные трехмерные чипы были изготовлены с помощью кремниевых пластин, посредством сверления отверстий через пластин-процесс, который ограничивает количество сложенных слоев, вертикальное разрешение и выходы»,-добавляет первый автор Кисеок Ким. «Наш метод, основанный на росте, решает все эти проблемы одновременно».
Чтобы коммерциализировать свой сложенный дизайн чипов, Ким недавно отбросил компанию FS2 (будущие полупроводниковые 2D Materials).
«До сих пор мы показываем концепцию в небольших массивах устройств»,-говорит он. «Следующим шагом является масштабирование, чтобы показать профессиональную операцию чипа ИИ».
Это исследование частично поддерживается современным технологическим институтом Samsung и Управлением научных исследований ВВС США.
