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電子行業(yè)對計算機芯片表面可容納的晶體管數(shù)量已接近極限。因此，芯片制造商正在尋求增加晶體管數(shù)量，而不是減少晶體管數(shù)量。

業(yè)界不再將越來越小的晶體管擠到單個表面上，而是將晶體管和半導體元件堆疊到多個表面上——就像將一座平房改造成一座高樓。這種多層芯片可以處理成倍增加的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行比當今電子產(chǎn)品更復雜的功能。

然而，一個重大障礙是芯片的構建平臺。如今，體積龐大的硅片是高質(zhì)量單晶半導體元件生長的主要支架。任何可堆疊芯片都必須包括厚厚的硅“地板”作為每一層的一部分，這會減慢功能性半導體層之間的通信速度。

現(xiàn)在，麻省理工學院的工程師們找到了解決這一障礙的方法，他們采用多層芯片設計，不需要任何硅晶片基板，并且工作溫度足夠低，可以保留底層的電路。

在今日《自然》雜志上發(fā)表的一項研究中，研究小組報告了他們使用新方法制造多層芯片，其中高質(zhì)量半導體材料層直接交替生長在彼此之上。

該方法使工程師能夠在任何隨機晶體表面上構建高性能晶體管、內(nèi)存和邏輯元件——而不僅僅是在硅晶片的笨重晶體支架上。研究人員表示，如果沒有這些厚硅基板，多個半導體層可以更直接接觸，從而實現(xiàn)更好、更快的層間通信和計算。

研究人員設想，該方法可用于構建人工智能硬件，以筆記本電腦或可穿戴設備的堆疊芯片的形式，其速度和功能將與當今的超級計算機一樣快、一樣強大，并能與物理數(shù)據(jù)中心一樣存儲大量數(shù)據(jù)。

“這一突破為半導體行業(yè)帶來了巨大的潛力，使芯片能夠不受傳統(tǒng)限制地堆疊，”研究作者、麻省理工學院機械工程副教授 Jeehwan Kim 表示?！斑@可能會使人工智能、邏輯和內(nèi)存應用的計算能力大幅提升。”

該研究的麻省理工學院合著者包括第一作者 Ki Seok Kim、Seunghwan Seo、Doyoon Lee、Jung-El Ryu、Jekyung Kim、Jun Min Suh、June-chul Shin、Min-Kyu Song、Jin Feng 和 Sangho Lee，以及來自三星高級技術學院、韓國成均館大學和德克薩斯大學達拉斯分校的合作者。

2023 年，Kim 團隊 報告稱，他們開發(fā)出一種在非晶態(tài)表面上生長高質(zhì)量半導體材料的方法，類似于成品芯片上半導體電路的多樣化形貌。他們生長的材料是一種二維材料，稱為過渡金屬二硫化物 (TMD)，被認為是制造更小、高性能晶體管的硅的有希望的繼任者。這種二維材料即使在小到單個原子的尺度上也能保持其半導體特性，而硅的性能會急劇下降。

在之前的工作中，該團隊在具有非晶涂層的硅晶片上以及現(xiàn)有的 TMD 上生長 TMD。為了鼓勵原子排列成高質(zhì)量的單晶形式，而不是隨機的多晶無序形式，Kim 和他的同事首先在硅晶片上覆蓋一層非常薄的薄膜或二氧化硅“掩模”，并在其上形成微小的開口或口袋圖案。然后，他們將原子氣體流過掩模，發(fā)現(xiàn)原子以“種子”的形式沉淀在口袋中?？诖拗屏朔N子以規(guī)則的單晶圖案生長。

但當時該方法僅在900攝氏度左右才有效。

“你必須在 400 攝氏度以下的溫度下培育這種單晶材料，否則底層電路就會被完全燒壞和破壞，”Kim 說道?！耙虼?，我們的功課就是，我們必須在低于 400 攝氏度的溫度下采用類似的技術。如果我們能做到這一點，影響將是巨大的?！?/p>

在新研究中，Kim 和他的同事們試圖微調(diào)他們的方法，以便在足夠低的溫度下生長單晶二維材料，以保留任何底層電路。他們在冶金學中找到了出人意料的簡單解決方案——金屬生產(chǎn)的科學和工藝。當冶金學家將熔融的金屬倒入模具中時，液體會慢慢“成核”，或形成晶粒，這些晶粒會生長并融合成規(guī)則圖案的晶體，然后硬化成固體。冶金學家發(fā)現(xiàn)，這種成核最容易發(fā)生在液態(tài)金屬倒入的模具邊緣。

“眾所周知，邊緣成核需要的能量和熱量較少，”Kim 說道?！八晕覀儚囊苯饘W中借用了這個概念，將其用于未來的 AI 硬件?！?/p>

該團隊希望在已經(jīng)制作了晶體管電路的硅晶片上生長單晶 TMD。他們首先用二氧化硅掩模覆蓋電路，就像他們之前的工作一樣。然后，他們在每個掩模口袋的邊緣沉積 TMD“種子”，發(fā)現(xiàn)這些邊緣種子在低至 380 攝氏度的溫度下生長成單晶材料，而從中心開始生長的種子則遠離每個口袋的邊緣，需要更高的溫度才能形成單晶材料。

研究人員更進一步利用新方法制造出一種多層芯片，其中交替排列兩種不同的 TMD 層——二硫化鉬，一種很有前途的制造 n 型晶體管的材料候選材料；以及二硒化鎢，一種有可能制成 p 型晶體管的材料。p 型和 n 型晶體管都是執(zhí)行任何邏輯運算的電子構件。該團隊能夠以單晶形式直接疊放在彼此之上生長這兩種材料，而無需任何中間硅晶片。Kim 表示，這種方法將有效地使芯片的半導體元件密度翻倍，尤其是金屬氧化物半導體 (CMOS)，它是現(xiàn)代邏輯電路的基本構件。

“通過我們的技術實現(xiàn)的產(chǎn)品不僅是 3D 邏輯芯片，而且是 3D 內(nèi)存及其組合，”Kim 說道?！巴ㄟ^我們基于生長的單片 3D 方法，你可以生長出數(shù)十到數(shù)百個邏輯層和內(nèi)存層，它們彼此疊置，而且它們能夠很好地通信?！?/p>

“傳統(tǒng)的 3D 芯片是在硅晶圓之間鉆孔制成的，這一過程限制了堆疊層的數(shù)量、垂直對準分辨率和產(chǎn)量，”第一作者 Kiseok Kim 補充道?！拔覀兓谏L的方法一次性解決了所有這些問題?！?nbsp;

為了進一步將其可堆疊芯片設計商業(yè)化，Kim 最近成立了一家公司 FS2（未來半導體 2D 材料）。

“我們目前展示了小型設備陣列的概念，”他說。“下一步是擴大規(guī)模，展示專業(yè)的 AI 芯片操作。”

這項研究得到了三星先進技術研究所和美國空軍科學研究辦公室的部分支持。