电子行业正接近计算机芯片表面上可容纳的晶体管数量的极限。因此，芯片制造商正在寻求向上而不是向外发展。
行业的目标是堆叠多个晶体管和半导体元件的表面，而不是将越来越小的晶体管挤压到单一表面上——就像将平房改造成高层建筑。这种多层芯片能够处理指数级的数据，并执行比今天的电子设备更多的复杂功能。
然而，一个重要的障碍是芯片构建的平台。目前，笨重的硅晶圆作为高质量单晶半导体元件生长的主要支架。任何可堆叠的芯片都必须在每一层中包含厚硅“地板”，这会减缓功能半导体层之间的通信。
现在，麻省理工学院的工程师们找到了一种解决这个障碍的方法，设计出一种不需要任何硅晶圆基底的多层芯片，并且在足够低的温度下工作，以保持底层电路的完整性。
在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，团队报告了使用新方法制造的多层芯片，具有交替层的高质量半导体材料，直接相互叠加。
该方法使工程师能够在任何随机的晶体表面上构建高性能的晶体管和存储及逻辑元件——不仅仅是在笨重的硅晶圆的晶体支架上。研究人员表示，去掉这些厚硅基底后，多个半导体层可以更直接地接触，从而提高层间的通信和计算速度。
研究人员设想，这种方法可以用于构建AI硬件，以堆叠芯片的形式用于笔记本电脑或可穿戴设备，其速度和性能可与今天的超级计算机相媲美，并能够存储与物理数据中心相当的大量数据。
“这一突破为半导体行业开辟了巨大的潜力，使芯片能够在没有传统限制的情况下堆叠，”研究作者、麻省理工学院机械工程副教授金志焕（Jeehwan Kim）说。“这可能会在AI、逻辑和存储应用中带来数量级的计算能力提升。”
这项研究的麻省理工学院共同作者包括第一作者金基石（Ki Seok Kim）、徐成焕（Seunghwan Seo）、李道允（Doyoon Lee）、柳正烈（Jung-El Ryu）、金杰亨（Jekyung Kim）、徐俊敏（Jun Min Suh）、申俊哲（June-chul Shin）、宋敏奎（Min-Kyu Song）、冯金（Jin Feng）和李相浩（Sangho Lee），以及来自三星先进技术研究院、韩国成均馆大学和德克萨斯大学达拉斯分校的合作者。
种子口袋
在2023年，金教授的团队报道他们开发了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多样化地形。他们生长的材料是一种被称为过渡金属二硫化物（TMDs）的二维材料，被认为是制造更小、高性能晶体管的有前景的硅替代品。这种二维材料即使在小到单个原子的尺度下也能保持其半导体特性，而硅的性能则会急剧下降。
在他们之前的工作中，团队在带有非晶涂层的硅晶圆上以及现有的TMD上生长TMD。为了鼓励原子以高质量单晶形式排列，而不是随机的多晶无序，金教授和他的同事们首先在硅晶圆上覆盖了一层非常薄的二氧化硅膜，或称“掩模”，并在其上图案化了微小的开口或口袋。然后，他们将原子气体流过掩模，发现原子在口袋中沉积为“种子”。这些口袋限制了种子的生长，使其以规则的单晶模式生长。
但当时，这种方法仅在约900摄氏度的温度下有效。
金教授说：“你必须在400摄氏度以下生长这种单晶材料，否则底层电路会完全被烧毁和破坏。因此，我们的作业是，我们必须在低于400摄氏度的温度下进行类似的技术。如果我们能做到这一点，影响将是巨大的。”
向上构建
在他们的新工作中，金教授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人意料的简单解决方案——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，液体会缓慢“成核”，或形成生长并合并成规则图案的晶体，最终硬化成固体形态。冶金学家发现，这种成核最容易发生在液态金属倒入的模具边缘。
金教授说：“众所周知，在边缘成核需要更少的能量——和热量。因此，我们借用了这个冶金学的概念，以用于未来的AI硬件。”
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。他们首先用二氧化硅掩模覆盖电路，就像在之前的工作中一样。然后，他们在每个掩模口袋的边缘沉积TMD的“种子”，发现这些边种子在低至380摄氏度的温度下生长为单晶材料，而在每个口袋的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。
进一步，研究人员使用新方法制造了一个多层芯片，具有交替层的两种不同TMD——二硫化钼，这是一种有前景的n型晶体管制造材料候选者；以及二硒化钨，这是一种有潜力被制成p型晶体管的材料。p型和n型晶体管都是执行任何逻辑操作的电子构建块。团队能够将这两种材料以单晶形式直接生长在一起，而不需要任何中间的硅晶圆。金教授表示，这种方法将有效地将芯片的半导体元件密度翻倍，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块。
金教授说：“通过我们的技术实现的产品不仅是3D逻辑芯片，还有3D存储及其组合。”他说：“通过我们基于生长的单体3D方法，你可以在彼此之上生长数十到数百层逻辑和存储层，它们能够很好地进行通信。”
第一作者金基石补充道：“传统的3D芯片是在硅晶圆之间制造的，通过在晶圆上钻孔——这一过程限制了堆叠层数、垂直对齐分辨率和产量。我们的基于生长的方法一次性解决了所有这些问题。”
为了进一步商业化他们的可堆叠芯片设计，金教授最近成立了一家公司FS2（未来半导体二维材料）。
他说：“到目前为止，我们展示了一个小规模设备阵列的概念。下一步是扩大规模，以展示专业的AI芯片操作。”
这项研究部分得到了三星先进技术研究院和美国空军科学研究办公室的支持。
