Materialele 2D sunt de obicei realizate la temperaturi care distrug cipurile de siliciu.
Credeți sau nu, această bucată de mineral conține o mulțime de straturi individuale care sunt subțiri atomic. Credit: Kwisky
Producătorii de cipuri de siliciu precum Intel și TSMC se autodepășesc în mod constant pentru a realiza funcții din ce în ce mai mici, dar se apropie tot mai mult de limitele fizice ale siliciului.
„Avem deja o densitate foarte, foarte mare în arhitecturile pe bază de siliciu, în care performanța siliciului se degradează brusc”, a spus Ki Seok Kim, un om de știință care lucrează la Laboratorul de Electronică al Institutului de Tehnologie din Massachusetts.
O modalitate de a evita această problemă este înlocuirea siliciului cu materiale 2D asemănătoare grafenului, care își mențin proprietățile semiconductoare chiar și la scara unui singur atom. O altă modalitate este construirea de cipuri 3D, care stoarce mai mulți tranzistori în aceeași zonă fără a face tranzistorii mai mici. Echipa lui Kim a făcut ambele, construind un cip 3D din semiconductori 2D stivuiți vertical.
Vine fierbinte
Grafenul, o foaie subțire de carbon cu un singur atom, este probabil cel mai faimos material 2D, dar nu este un semiconductor. Există totuși materiale 2D care sunt semiconductoare bune bisulfură de molibden sau diselenura de wolfram. „Oferă performanțe electrice foarte stabile chiar și sub un nanometru”, a spus Kim. Atât disulfura de molibden, cât și diselenura de wolfram aparțin unui grup numit dicalcogenuri ale metalelor de tranziție (TMD).
Aceste materiale sunt de obicei crescute printr-un proces numit depunere chimică de vapori, în care materialele vaporizate sunt pulverizate peste un substrat și formează structuri cristaline subțiri cu un singur atom pe suprafața acestuia. Pentru a face tranzistoare cu performanțe decente, acele TMD-uri trebuiau depuse la temperaturi care ajungeau la 900 ° Celsius. A fost bine dacă ai vrut doar un strat de tranzistori, dar nu este compatibil cu tehnicile normale de fabricare a siliciului.
Procesul de fabricare a cipului începe cu o placă rotundă de siliciu. Tranzistorii sunt fabricați direct pe acele plachete și formează stratul inferior al unui cip într-o parte a procesului de fabricare a cipului numită capătul frontal al liniei. Primul strat de cablaj metalic, sau interconexiuni, este apoi adăugat deasupra stratului de tranzistor; aceasta se numește capătul din spate al liniei.
Dacă doriți să adăugați un strat de tranzistori TMD deasupra capătului din spate al liniei pentru a construi un cip stivuit 3D, ar trebui să încălziți totul la 900 ° Celsius, ceea ce practic ar prăji circuitele. Cercetătorii care au căutat să construiască cipuri 3D au propus diverse soluții la această problemă de prăjire a circuitelor, dar niciuna nu a părut să funcționeze deosebit de bine.
Cea mai populară abordare a fost un proces numit through-silicon-via (TSV), care a fost folosit pentru a fabrica straturi de tranzistori pe plachete de siliciu separate, cu găuri microscopice perforate pentru a conecta placa superioară cu cea inferioară. Dar procesul a fost foarte costisitor, iar alinierea napolitanelor suficient de atent pentru a conecta dispozitive la scară nanometrică a fost o provocare. O alternativă a fost transferul tranzistorilor crescuți pe o placă separată, ceea ce a rezolvat problema găurii, dar a lăsat problema de aliniere.
Oamenii de știință au încercat, de asemenea, să facă depunerea chimică de vapori a TMD-urilor la temperaturi sub 400 ° Celsius, ceea ce a fost considerat sigur pentru circuitele metalice. Dar la aceste temperaturi scăzute, TMD-urile au format materiale poli-cristaline în loc de structuri monocristaline, ceea ce le-a degradat semnificativ performanța electrică.
„Scopul a fost de a depune tranzistori TMD monocristalini direct deasupra capătului din spate al liniei la temperaturi sub 400° Celsius”, a spus Kim. „Acesta este exact ceea ce am realizat.”
Metalurgia la scară nanometrică
Soluția propusă de echipa lui Kim a fost inspirată din metalurgie. Când un metal topit este turnat într-o matriță, acesta formează încet ceea ce se numesc nuclee: granule de material solid care se îmbină pentru a crea modele regulate de cristal care se întăresc și mai mult în formă solidă. Kim și colegii săi au observat că acest proces de nucleare începea de obicei la marginile matriței. „Nuclearea la margini necesită mai puțină energie și căldură”, a spus Kim. Deci, cercetătorii au împrumutat acest concept și l-au folosit pentru a crea tranzistori TMD monocristalini. Ei au numit această tehnică „confinare geometrică”.
La fel ca în cazul producției standard de cip, procesul a început cu o placă de siliciu, care a fost apoi acoperită cu un strat izolator subțire de oxid de hafniu. Pe deasupra acelui strat, echipa a adăugat un strat de polimer. Acest strat de polimer a fost apoi modelat în șanțuri – buzunare dreptunghiulare care au fost apoi acoperite cu dioxid de siliciu. Vaporii de diselenură de wolfram au fost pulverizați peste această serie de șanțuri la 485°C, ca parte a procesului de depunere chimică a vaporilor. Aici s-a întâmplat magia.
În mod normal, cristalizarea formează un material policristalin. Într-un eveniment de nucleare, se formează o structură monocristalină, dar pe măsură ce procesul continuă, se va forma rapid un al doilea loc de nucleare și apoi altul, până când întregul material devine cristalizat. Structurile cristaline formate în fiecare dintre aceste evenimente de nucleare sunt separate prin granițe de granule, semnătura unui material policristalin.
Echipa lui Kim a ajustat dimensiunea șanțurilor astfel încât întregul șanț să poată fi umplut cu o structură cristalină formată într-un singur eveniment de nucleare. Cristalizarea în fiecare șanț a început cu un eveniment de nucleare la marginea acestuia, la fel ca în matrițele metalice. Structura cristalină a umplut apoi șanțul și a rămas fără spațiu disponibil chiar înainte ca cel de-al doilea eveniment de nucleare să aibă loc.
Acesta a format primul strat semiconductor 2D monocristalin, care a fost apoi transformat în tranzistori prin depunerea regiunilor de sursă și de scurgere de platină acoperite cu poarta și izolat cu un alt strat de oxid de hafniu. Asta a completat primul capăt din spate al liniei.
Al doilea strat de tranzistori a fost crescut direct peste primul folosind același proces, cu două diferențe. TMD semiconductor a fost disulfură de molibden, care putea fi depusă la 385°C, iar materialul folosit pentru regiunile sursă și de scurgere a fost cromul. „Performanța electrică pe care am obținut-o a fost excelentă, similară cu TMD-urile cultivate la temperatură înaltă. Am demonstrat pentru prima dată CMOS monolitic, stivuit vertical, fabricat cu TMD-uri monocristaline la o temperatură sub 400 ° C”, a spus Kim.
Scăderea temperaturii creșterii TMD-urilor suficient pentru a face posibilă producția la scară largă ar putea fi un salt uriaș către realizarea de CMOS stivuite 3D cu semiconductori 2D în produsele reale pe care oamenii le pot folosi. Cinci membri ai echipei lui Kim au lucrat la Centrul de Cercetare a Dispozitivelor Samsung din Coreea de Sud, ceea ce ar putea face să pară că suntem pe punctul de a aduce această tehnologie pe piață. Problema este că avem nevoie de cel puțin încă un salt similar înainte de a ne lua rămas bun de la cipurile de siliciu.
Problema de dopaj
În prezent, nu știm cum să conectăm semiconductorii TMD cu alte dispozitive. În cipurile de astăzi, conexiunile se realizează prin dopaj: injectând siliciul cu impurități pentru a-i crește conductibilitatea exact în punctele în care se interfață cu cablurile metalice. Aceste impurități injectate netezesc scăderea conductibilității atunci când semnalul se mișcă între semiconductori și materiale foarte conductoare precum cromul, cuprul sau platina.
La scară atomică, dopajul înlocuiește atomii unui metal gazdă cu atomi străini. Dar cum faci asta când materialul tău gazdă este subțire de un atom?
Au existat încercări de a obține oarecum efecte echivalent cu dopajul în bisulfură de molibden 2D, dar procesul a fost dificil de controlat. În lucrarea lui Kim, echipa a scris că dezvoltarea unui proces de dopaj pentru TMD-uri care poate fi realizată sub 400 ° Celsius este necesară pentru a construi cipuri de înaltă performanță bazate pe semiconductori 2D. Echipa crede că tehnologia sa poate ajuta la creșterea TMD-urilor dopate, dar până acum nu avem cum să facem acest lucru.
O altă problemă care se profilează este răcirea. Scoaterea căldurii dintr-un cip foarte dens este destul de greu cu un singur strat de tranzistori. Stivuirea mai multor astfel de straturi unul peste altul ar trebui să înrăutățească considerabil problema. „În astfel de dispozitive este nevoie de o zonă de radiator. Acesta este, de asemenea, ceva ce intenționăm să facem în viitor – dezvoltarea unei noi scheme de răcire pentru astfel de cipuri”, a spus Kim.
Dar Kim susține că aceste provocări merită abordate, deoarece consideră că cipurile stivuite 3D bazate pe semiconductori 2D vor crește dramatic performanța pe care o putem obține din aceeași zonă de cip și vor reduce semnificativ consumul de energie în comparație cu electronicele CMOS standard. Și tot ceea ce va fi necesar pentru alimentarea viitoarelor sisteme AI.
„Vom obține cipuri AI de foarte, foarte mare densitate”, a spus Kim.
Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08236-9
Jacek Krywko este un scriitor independent de știință și tehnologie care acoperă explorarea spațiului, cercetarea inteligenței artificiale, informatica și tot felul de vrăjitorie inginerească.
Comentarii recente