该行业不再将越来越小的晶体管挤压到单个表面上，而是将晶体管和半导体元件堆叠到多个表面上，就像将平房改造成高层建筑一样。与当今的电子产品相比，这种多层芯片可以处理更多的数据并执行更复杂的功能。
然而，一个重大障碍是芯片构建的平台。如今，大块硅片是生长高质量单晶半导体元件的主要支架。任何可堆叠芯片都必须包括厚硅“地板”作为每一层的一部分，这会减慢功能半导体层之间的通信。
现在，麻省理工学院的工程师已经找到了解决这一障碍的方法，即采用多层芯片设计，该设计不需要任何硅晶圆基板，并且运行温度足以保护底层电路。
在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，该团队报告了他们使用一种新方法来制造多层芯片，其中高质量半导体材料层以交替层的方式直接生长在彼此之上。
该方法使工程师能够在任何随机晶体表面上构建高性能晶体管、存储器和逻辑组件，而不仅仅是在硅晶圆上的笨重晶体支架上。研究人员表示，如果没有这些厚硅基板，多个半导体层可以更直接接触，从而实现更好、更快的层间通信和计算。
研究人员设想，该方法可用于构建人工智能硬件，以笔记本电脑或可穿戴设备的堆叠芯片的形式，其速度和功能将与当今的超级计算机一样快，并且能够存储与物理数据中心一样多的数据。 。
研究作者、麻省理工学院机械工程系副教授 Kim 表示：“这一突破为半导体行业带来了巨大潜力，使芯片的堆叠不受传统限制。” “这可能会导致人工智能、逻辑和内存应用程序的计算能力显着增加。”
该研究的麻省理工学院合著者包括第一作者 Ki Seok Kim、Seo、Lee、Jung-El Ryu、Kim、Jun Min Suh、June-chul Shin、Min-Kyu Song、Jin Feng 和 Lee，以及来自三星的同事高级技术学院、韩国成均馆大学和德克萨斯大学达拉斯分校的合作者。
种子袋
2023 年，Kim 的团队报告称，他们开发出了一种在非晶表面生长高质量半导体材料的方法，类似于成品芯片上半导体电路的多种形态。他们生长的材料是一种称为过渡金属二硫属化物（TMD）的二维材料，被认为是制造更小高性能晶体管的有前途的硅替代品。这种二维材料即使在小到单个原子的尺度上也能保留其半导体特性，而在这种尺度下硅的性能会急剧下降。
在之前的工作中，该团队在具有非晶涂层的硅晶片以及现有的 TMD 上生长了 TMD。为了鼓励原子将自己排列成高质量的单晶形式，而不是随机的多晶无序，Kim 和他的同事首先用非常薄的薄膜或二氧化硅“掩模”覆盖硅晶片，并将其放置在一个图案上。其上形成有微小的开口或口袋。然后，他们让原子气体流过掩模，发现原子以“种子”的形式沉淀在口袋中。这些口袋限制种子以规则的单晶图案生长。
但当时该方法仅在900摄氏度左右有效。
“你必须在低于 400 摄氏度的温度下生长这种单晶材料，否则底层电路将被完全烧毁和破坏，”Kim 说。 “所以我们的功课是，我们必须在400摄氏度以下的温度下使用类似的技术。如果我们能做到这一点，影响将是巨大的。”
建造
在这项新研究中，Kim 和他的同事试图微调他们的方法，在足够低的温度下生长二维材料的单晶，以保护任何底层电路。他们在冶金领域找到了一个令人惊讶的简单解决方案——金属生产的科学和工艺。当冶金学家将熔融金属倒入模具中时，液体会慢慢“成核”或形成晶粒，晶粒长大并融合成规则的晶体图案，然后硬化成固体。冶金学家发现，这种成核最容易发生在浇注液态金属的模具边缘。
“众所周知，边缘成核需要更少的能量和热量，”金说。 “所以我们借鉴了冶金学的这个概念，并将其用于未来的人工智能硬件。”
该团队希望在已经制造出晶体管电路的硅晶圆上生长单晶TMD。他们首先用二氧化硅掩模覆盖电路，就像他们在之前的工作中所做的那样。然后他们将TMD“种子”沉积在每个面罩口袋的边缘，发现这些边缘种子在低至380摄氏度的温度下生长成单晶材料，而从中心生长的种子则远离每个口袋的边缘。形成单晶材料需要更高的温度。
研究人员将新方法更进一步，创建了一种多层芯片，其中交替排列两个不同的TMD层——二硫化钼，一种有前途的制造n型晶体管的候选材料；以及二硒化钨，一种有潜力制造 p 型晶体管的材料。 p 型和 n 型晶体管都是执行任何逻辑运算的电子构建块。该团队能够将两种材料直接作为单晶生长在彼此之上，而不需要任何中间硅片。 Kim 表示，这种方法将有效地将芯片的半导体元件密度增加一倍，特别是金属氧化物半导体（CMOS），这是现代逻辑电路的基本构建模块。
Kim 表示：“我们的技术所支持的产品不仅是 3D 逻辑芯片，还有 3D 存储器及其组合。” “通过我们基于增长的单片 3D 方法，您可以在彼此之上生长数十到数百个逻辑和存储层，并且它们可以很好地通信。”
“传统的 3D 芯片是通过在硅晶圆之间钻孔来制造的，这一过程限制了堆叠层数、垂直对准分辨率和产量，”第一作者 Kim 补充道。 “我们基于增长的方法一次性解决了所有这些问题。”
为了进一步商业化他的可堆叠芯片设计，Kim 最近成立了一家公司 FS2（未来半导体 2D 材料）。
“我们目前正在演示小型设备阵列的概念，”他说。 “下一步是扩大规模并展示专业的AI芯片运营。”
这项研究得到了三星先进技术研究所和美国空军科学研究办公室的部分支持。
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