Massale 3D-integratie van 2D halfgeleidertransistoren versnelt wet van Moore

Onderzoekers van Penn State hebben 3D-integratie van halfgeleiders op massale schaal gedemonstreerd, met karakterisering van tienduizenden apparaten met 2D-transistoren gemaakt met 2D-halfgeleiders, wat elektronische gadgets mogelijk slimmer en veelzijdiger kan maken.

Moore's Wet en beperkingen

Moore's Wet, een fundamentele schaalprincipe voor elektronische apparaten, voorspelt dat het aantal transistoren op een chip elke twee jaar verdubbelt, wat meer rekenkracht garandeert — maar een limiet bestaat. Hedendaagse meest geavanceerde chips huisvesten bijna 50 miljard transistoren in een ruimte niet groter dan je duimnagel. Het proppen van nog meer transistoren in die begrenzte ruimte is steeds moeilijker geworden.

Oplossing: 3D-integratie met 2D-materialen

In een studie gepubliceerd op 10 januari 2024 in Nature, stellen Saptarshi Das, associate professor engineering science and mechanics, en zijn team een remedie voor: naadloze implementatie van 3D-integratie met 2D-materialen.

In de halfgeleiderwereld betekent 3D-integratie het verticaal stapelen van meerdere lagen halfgeleiderapparaten. Deze benadering faciliteert niet alleen het inpakken van meer silicium-gebaseerde transistoren op een computerchip, algemeen aangeduid als "More Moore", maar stelt ook het gebruik van transistoren gemaakt van 2D-materialen toe om diverse functionaliteiten in verschillende lagen van de stapel te incorporeren, een concept bekend als "More than Moore".

Monolithische 3D-integratie

Met het werk uiteengezet in de studie, tonen Saptarshi en het team haalbare paden aan voorbij het schalen van huidige technologie om zowel More Moore als More than Moore te bereiken via monolithische 3D-integratie. Monolithische 3D-integratie is een fabricageproces waarbij onderzoekers elk apparaat direct op de eronder maken, in vergelijking met het traditionele proces van het stapelen van onafhankelijk geproduceerde lagen.

"Monolithische 3D-integratie biedt de hoogste dichtheid van verticale verbindingen omdat het niet vertrouwt op het bonden van twee voorgepatterneerde chips — wat microbumps zou vereisen waar twee chips gebonden worden — dus heb je meer ruimte om verbindingen te maken," aldus Najam Sakib, graduate research assistant en co-auteur.

Temperatuurutdaging en 2D-materialen

Monolithische 3D-integratie kent wel significante uitdagingen, volgens Darsith Jayachandran, graduate research assistant en co-corresponding author, aangezien conventionele siliciumcomponenten zouden smelten onder de verwerkingstemperaturen. "Een uitdaging is het processtemperatuurplafond van 450 °C voor back-end integratie voor silicium-chips. Onze monolithische 3D-integratie benadering verlaagt die temperatuur aanzienlijk, tot minder dan 200 °C," aldus Jayachandran. "Incompatibele processtemperatuurbegrotingen maken monolithische 3D-integratie uitdagend met siliciumchips, maar 2D-materialen kunnen de temperaturen aan die voor het proces nodig zijn."

Eerste succes op grote schaal

De onderzoekers gebruikten bestaande technieken voor hun benadering, maar ze zijn de eerste die met succes monolithische 3D-integratie op deze schaal bereikten met 2D-transistoren gemaakt met 2D-halfgeleiders genaamd overgangsmetaaldichalcogeniden.

Energie-efficiëntie door kortere afstanden

De mogelijkheid om apparaten verticaal te stapelen in 3D-integratie maakte ook meer energie-efficiënt rekenen mogelijk omdat het een verrassend probleem oploste voor zulke kleine dingen als transistoren op een computerchip: afstand. "Door apparaten verticaal op elkaar te stapelen, verminder je de afstand tussen apparaten, en daardoor verminder je de latentie en ook het stroomverbruik," aldus Rahul Pendurthi, graduate research assistant en co-corresponding author.

More Moore en More than Moore

Door de afstand tussen apparaten te verminderen, bereikten de onderzoekers "More Moore". Door transistoren gemaakt met 2D-materialen te incorporeren, voldeden ze aan het "More than Moore" criterium. 2D-materialen zijn bekend om hun unieke elektronische en optische eigenschappen, waaronder gevoeligheid voor licht, wat ze ideaal maakt als sensoren. Dit is nuttig naarmate het aantal verbonden apparaten en edge-apparaten — dingen zoals smartphones of draadloze thuismoorweerstations die data verzamelen aan de 'rand' van een netwerk — blijft toenemen.

"'More Than Moore' verwijst naar een concept in de tech-wereld waar we niet alleen computercips kleiner en sneller maken, maar ook met meer functionaliteiten," aldus Muhtasim Ul Karim Sadaf, graduate research assistant en co-auteur. "Het gaat om het toevoegen van nieuwe en nuttige functies aan onze elektronische apparaten, zoals betere sensoren, verbeterde batterijbeheer, of andere speciale functies, om onze gadgets slimmer en veelzijdiger te maken."

Voordelen van 2D-apparaten

Het gebruik van 2D-apparaten voor 3D-integratie heeft nog verschillende andere voordelen. Eén is superieure drager-mobiliteit, wat verwijst naar hoe een elektrische lading in halfgeleidermaterialen wordt gedragen. Een ander is ultra-dun, wat de onderzoekers in staat stelt meer transistoren op elke laag van de 3D-integratie te passen en meer rekenkracht mogelijk te maken.

Van academisch naar industriële schaal

Terwijl de meeste academische onderzoek kleine-schalige prototypes omvat, demonstreerde deze studie 3D-integratie op massale schaal, met karakterisering van tienduizenden apparaten. Volgens Das overbrugt deze prestatie de kloof tussen academie en industrie en kan leiden to toekomstige partnerschappen waar de industrie Penn State's 2D-materialen expertise en faciliteiten benut. De vooruitgang in schaal werd mogelijk gemaakt door de beschikbaarheid van hoge-kwaliteit, wafer-schaal overgangsmetaaldichalcogeniden ontwikkeld door onderzoekers van Penn State's Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC-MIP), een U.S. National Science Foundation (NSF) Materials Innovation Platform en nationale gebruikersfaciliteit.

"Deze doorbraak toont nogmaals de essentiële rol van materialenonderzoek als fundament van de halfgeleiderindustrie en de concurrentiekracht van de VS," aldus Charles Ying, programmadirecteur voor NSF's Materials Innovation Platforms. "Jarenlange inspanningen van Penn State's Two-Dimensional Crystal Consortium om de kwaliteit en grootte van 2D-materialen te verbeteren, hebben het mogelijk gemaakt om 3D-integratie van halfgeleiders op een grootte te bereiken die transformatief kan zijn voor elektronica."

Volgens Das is deze technologische vooruitgang slechts de eerste stap. "Onze capaciteit om, op wafer-schaal, een enorm aantal apparaten te demonstreren, toont aan dat we in staat zijn om dit onderzoek te vertalen naar een schaal die gewaardeerd kan worden door de halfgeleiderindustrie. We hebben 30.000 transistoren in elke laag gezet, wat misschien een recordaantal is. Dit plaatst Penn State in een unieke positie om een deel van het werk te leiden en te partneren met de VS halfgeleiderindustrie om dit onderzoek vooruit te helpen."

Bron: Penn State