2D 半导体晶体管的大规模 3D 集成加速了摩尔定律

电子与传感器内幕

宾夕法尼亚州立大学的研究人员展示了大规模的半导体 3D 集成，使用由 2D 半导体制成的 2D 晶体管来表征数以万计的设备，使电子产品可能变得更智能、更通用。 （图片来源：Elizabeth Flores-Gomez Murray/材料研究所。保留所有权利）

摩尔定律是电子设备的基本缩放原理，它预测芯片上的晶体管数量每两年将增加一倍，从而确保更强的计算能力 - 但存在限制。

当今最先进的芯片在不超过缩略图的空间内容纳了近 500 亿个晶体管。宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，将更多晶体管塞进这个有限区域的任务变得越来越困难。

2024 年 1 月 10 日发表在《自然》杂志上的一项研究 工程科学与力学副教授、该研究的共同通讯作者 Saptarshi Das 及其团队提出了一种补救措施：无缝实现 3D 与 2D 材料的集成。

在半导体领域，3D集成意味着垂直堆叠多层半导体器件。这种方法不仅有助于将更多硅基晶体管封装到计算机芯片上（通常称为“更多摩尔”），而且还允许使用由 2D 材料制成的晶体管将不同的功能合并到堆栈的各个层中，这一概念称为“超过摩尔”。

通过研究中概述的工作，Saptarshi 和团队展示了超越现有技术的可行路径，通过单片 3D 集成实现更多摩尔和超越摩尔。与堆叠独立制造层的传统工艺相比，单片 3D 集成是一种制造工艺，研究人员直接在下面的器件上制造每个器件。

“单片 3D 集成提供了最高密度的垂直连接，因为它不依赖于两个预先图案化芯片的粘合（这需要将两个芯片粘合在一起的微凸块），因此您有更多的空间来建立连接，”工程科学和力学研究生研究助理兼该研究的合著者 Najam Sakib 说。

不过，工程科学与力学研究生助理兼该研究的共同通讯作者 Darsith Jayachandran 表示，单片 3D 集成面临着重大挑战，因为传统的硅元件会在加工温度下熔化。

“一个挑战是硅基芯片后端集成的工艺温度上限为 450 °C。我们的单片 3D 集成方法可显着降低该温度，降至 200 °C 以下，”Jayachandran 说道，并解释说，工艺温度上限是损坏预制结构之前允许的最高温度。 “不兼容的工艺温度预算使得硅芯片的单片 3D 集成面临挑战，但 2D 材料可以承受工艺所需的温度。”

研究人员在他们的方法中使用了现有技术，但他们是第一个使用由称为过渡金属二硫属化物的 2D 半导体制成的 2D 晶体管成功实现这种规模的单片 3D 集成的人。

在 3D 集成中垂直堆叠设备的能力也实现了更节能的计算，因为它解决了计算机芯片上晶体管等微小物体的一个令人惊讶的问题：距离。

“通过将设备垂直堆叠在一起，可以缩短设备之间的距离，从而减少延迟和功耗，”工程科学与力学研究生研究助理、该研究的共同通讯作者 Rahul Pendurthi 说道。

通过缩短设备之间的距离，研究人员实现了“更多摩尔”。通过采用二维材料制成的晶体管，研究人员也满足了“超越摩尔”标准。二维材料以其独特的电子和光学特性而闻名，包括对光的敏感性，这使得这些材料成为理想的传感器。研究人员表示，随着连接设备和边缘设备（例如智能手机或在网络“边缘”收集数据的无线家庭气象站）的数量不断增加，这非常有用。

“‘超越摩尔’是指科技界的一个概念，即我们不仅要让计算机芯片变得更小、更快，而且要具有更多功能，”工程科学和力学研究生研究助理、该研究的合著者 Muhtasim Ul Karim Sadaf 说。 “它是为我们的电子设备添加新的有用的功能，例如更好的传感器、改进的电池管理或其他特殊功能，以使我们的小工具更智能、更通用。”

研究人员表示，使用 2D 设备进行 3D 集成还有其他几个优点。一是卓越的载流子迁移率，这是指半导体材料中电荷的携带方式。另一个是超薄，使研究人员能够在 3D 集成的每一层安装更多晶体管，并实现更多计算能力。

虽然大多数学术研究涉及小规模原型，但这项研究展示了大规模的 3D 集成，描述了数以万计的设备。 Das 表示，这一成就弥合了学术界和工业界之间的差距，并可能导致未来的合作伙伴关系，工业界利用宾夕法尼亚州立大学的二维材料专业知识和设施。尺寸方面的进步得益于宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟 (2DCC-MIP)、美国国家科学基金会 (NSF) 材料创新平台和国家用户设施的研究人员开发的高质量、晶圆级过渡金属二硫化物的可用性。

NSF 材料创新平台项目主任 Charles Ying 表示：“这一突破再次证明了材料研究作为半导体行业和美国竞争力基础的重要作用。” “宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟多年来为提高 2D 材料的质量和尺寸所做的努力，使得实现半导体的 3D 集成成为可能，其尺寸可以为电子产品带来变革。”

Das 表示，这一技术进步只是第一步。

“我们能够在晶圆级展示大量器件，这表明我们已经能够将这项研究转化为半导体行业能够认可的规模，”达斯说。 “我们在每一层放置了 30,000 个晶体管，这可能是一个创纪录的数字。这使宾夕法尼亚州立大学处于非常独特的地位，可以领导一些工作并与美国半导体行业合作推进这项研究。”

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