研究人员现在可以制造出一种3D芯片，其中交替的半导体材料层直接生长在彼此之上。该方法去除了各层之间的厚硅衬底，从而实现更好、更快的计算，适用于构建更高效的人工智能硬件。
电子行业正在逼近将晶体管封装到计算机芯片表面的数量极限。因此，芯片制造商正寻求“向上”而非“向外”构建。
行业的目标不是将更小的晶体管挤压到单个表面上，而是堆叠多个晶体管和半导体元件表面——类似于将平房改造成高楼。这种多层芯片能够处理的数据量呈指数级增长，并执行比当今电子产品复杂得多的功能。
然而，一个重大障碍是芯片构建的平台。目前，笨重的硅晶圆是生长高质量单晶半导体元件的主要支架。任何可堆叠芯片的每一层都必须包含厚硅“地板”，这会减缓功能性半导体层之间的任何通信。
现在，某机构的工程师找到了一种绕过这一障碍的方法，采用了一种无需任何硅晶圆衬底的多层芯片设计，并且该设计在足够低的温度下工作，以保护底层电路。
在一项发表在《自然》期刊的研究中，该团队报告使用新方法制造了一种多层芯片，其中高质量的半导体材料交替层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、存储和逻辑元件——而不仅仅是在硅晶圆的 bulky 晶体支架上。研究人员表示，没有了这些厚硅衬底，多个半导体层可以更直接地接触，从而实现层间更好、更快的通信和计算。
研究人员设想，该方法可用于构建人工智能硬件，形式为用于笔记本电脑或可穿戴设备的堆叠芯片，其速度和强大程度堪比当今的超级计算机，并能存储与物理数据中心相当的海量数据。
“这项突破为半导体行业开辟了巨大的潜力，允许芯片堆叠而不受传统限制，”研究作者Jeehwan Kim说，“这可能导致人工智能、逻辑和存储应用的计算能力实现数量级的提升。”
种子口袋
2023年，Kim的团队报告称，他们开发出一种在非晶表面上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不同形貌。他们生长的材料是一种名为过渡金属二硫化物的二维材料，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单个原子那么小的尺度上也能保持其半导体特性，而硅的性能会急剧下降。
在他们之前的工作中，该团队在带有非晶涂层的硅晶圆上以及现有TMD上生长了TMD。为了促使原子排列成高质量的单晶形式，而不是随机的多晶无序，Kim和他的同事首先在硅晶圆上覆盖一层非常薄的二氧化硅薄膜或“掩模”，并在其上开出微小的开口或“口袋”。然后，他们将原子气体流过掩模，发现原子沉入口袋中作为“种子”。这些口袋将种子限制在规则的单晶图案中生长。
但当时，该方法仅在约900摄氏度下有效。
“你必须在400摄氏度以下生长这种单晶材料，否则底层电路会被完全破坏，”Kim说，“所以，我们的任务是必须在低于400摄氏度的温度下完成类似的技术。如果我们能做到，影响将是巨大的。”
向上构建
在他们的新工作中，Kim和他的同事们试图微调他们的方法，以便在足够低的温度下生长单晶二维材料，以保护任何底层电路。他们在冶金学中找到了一个出奇简单的解决方案。当冶金学家将熔融金属倒入模具时，液体缓慢“成核”，或形成晶粒，这些晶粒生长并合并成规则图案的晶体，然后硬化成固态。冶金学家发现，这种成核最容易发生在倒入液态金属的模具边缘。
“众所周知，在边缘成核需要更少的能量和热量，”Kim说，“所以我们从冶金学中借用了这个概念，用于未来的AI硬件。”
该团队试图在已经制造了晶体管电路的硅晶圆上生长单晶TMD。团队首先用二氧化硅掩模覆盖电路，就像他们之前的工作一样。然后，他们在每个掩模口袋的边缘沉积TMD的“种子”，并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，而相比之下，在每个口袋中心远离边缘开始生长的种子则需要更高的温度才能形成单晶材料。
更进一步，研究人员使用新方法制造了一种多层芯片，其中交替生长两种不同的TMD层——二硫化钼（一种用于制造n型晶体管的有前途的候选材料）和二硒化钨（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。该团队能够将这两种材料以单晶形式直接生长在彼此之上，无需任何中间硅晶圆。Kim表示，该方法将有效倍增芯片半导体元件的密度，特别是金属氧化物半导体（CMOS），它是现代逻辑电路的基本构建块。
“我们的技术实现的产品不仅是3D逻辑芯片，还有3D存储芯片以及它们的组合，”Kim说，“通过我们基于生长的单片3D方法，你可以直接在彼此之上生长数十到数百个逻辑和存储层，它们将能够很好地通信。”
“传统的3D芯片是通过在硅晶圆之间钻孔的方式制造的，这一过程限制了堆叠层数、垂直对准分辨率和良率，”第一作者Kiseok Kim补充道，“我们基于生长的方法一次性解决了所有这些问题。”
为了进一步商业化其可堆叠芯片设计，Kim最近成立了一家名为FS2的公司。
“到目前为止，我们展示了小规模器件阵列的概念，”他说，“下一步是扩大规模以展示专业的AI芯片运行。”
这项研究部分得到了某机构和某科学研究办公室的支持。FINISHED
