مهندسان MIT تراشه‌های سه بعدی «بالا» را تولید می‌کنند

صنعت الکترونیک در حال نزدیک شدن به محدودیت تعداد ترانزیستورهایی است که می توانند بر روی سطح یک تراشه کامپیوتری بسته بندی شوند. بنابراین، سازندگان تراشه به‌جای تولید، به دنبال ساخت و ساز هستند.

به‌جای فشرده کردن ترانزیستورهای کوچک‌تر روی یک سطح، صنعت قصد دارد سطوح متعددی از ترانزیستورها و عناصر نیمه‌رسانا را روی هم بچسباند – شبیه به تبدیل یک مزرعه‌داری به یک ساختمان بلند. چنین تراشه‌های چندلایه‌ای می‌توانند به‌طور تصاعدی داده‌های بیشتری را مدیریت کنند و عملکردهای پیچیده‌تری نسبت به الکترونیک امروزی انجام دهند.

با این حال، یک مانع مهم، پلت فرم است روی کدام تراشه ها ساخته می شوند. امروزه ویفرهای سیلیکونی حجیم به عنوان داربست اصلی عمل می کنند روی که عناصر نیمه هادی تک کریستالی با کیفیت بالا رشد می کنند. هر چیپ انباشته شدنی باید شامل “کفپوش” سیلیکونی ضخیم به عنوان بخشی از هر لایه باشد که هر گونه ارتباط بین لایه های نیمه هادی کاربردی را کند می کند.

اکنون، مهندسان MIT راهی برای دور زدن این مانع پیدا کرده‌اند، با طراحی تراشه‌ای چند لایه که به هیچ بستر ویفر سیلیکونی نیاز ندارد و در دماهای به اندازه کافی پایین برای حفظ مدار لایه زیرین کار می‌کند.

در مطالعه ای که امروز در مجله منتشر شد طبیعت، تیم گزارش می دهد که از روش جدید برای ساخت یک تراشه چند لایه با لایه های متناوب از مواد نیمه هادی با کیفیت بالا که به طور مستقیم رشد می کند، استفاده می کند. روی روی هم

این روش مهندسان را قادر می سازد تا ترانزیستورهای با کارایی بالا و عناصر حافظه و منطق بسازند روی هر سطح کریستالی تصادفی – نه فقط روی داربست کریستالی حجیم از ویفرهای سیلیکونی. محققان می گویند بدون این بسترهای سیلیکونی ضخیم، چندین لایه نیمه هادی می توانند در تماس مستقیم تری باشند که منجر به ارتباطات و محاسبات بهتر و سریع تر بین لایه ها می شود.

محققان تصور می‌کنند که این روش می‌تواند برای ساخت سخت‌افزار هوش مصنوعی، به شکل تراشه‌های انباشته شده برای لپ‌تاپ‌ها یا دستگاه‌های پوشیدنی، که به سرعت و قدرتمندی ابررایانه‌های امروزی باشد و بتواند حجم عظیمی از داده را ذخیره کند، استفاده شود. روی همتراز با مراکز داده فیزیکی

جیوان کیم، نویسنده این مطالعه، استادیار مهندسی مکانیک در MIT، می‌گوید: «این پیشرفت پتانسیل عظیمی را برای صنعت نیمه‌رساناها باز می‌کند و به تراشه‌ها اجازه می‌دهد بدون محدودیت‌های سنتی روی هم چیده شوند». این می‌تواند منجر به پیشرفت‌های بزرگی در قدرت محاسباتی برای برنامه‌های کاربردی در هوش مصنوعی، منطق و حافظه شود.»

نویسندگان همکار MIT این مطالعه شامل نویسنده اول کی سوک کیم، سئونگوان سو، دویون لی، جونگ ال ریو، جکیونگ کیم، جون مین سو، جون چول شین، مین کیو سانگ، جین فنگ و سانگو لی هستند. همکاران موسسه فناوری پیشرفته سامسونگ، دانشگاه سونگ کیونکوان در کره جنوبی و دانشگاه تگزاس در دالاس.

جیب بذر

در سال 1402، گروه کیم گزارش داد که آنها روشی را برای رشد مواد نیمه هادی با کیفیت بالا توسعه دادند. روی سطوح آمورف، شبیه به توپوگرافی متنوع مدارهای نیمه هادی روی چیپس تمام شده موادی که آنها رشد دادند، نوعی ماده دو بعدی بود که به نام دی‌کالکوژنیدهای فلزی انتقالی یا TMD شناخته می‌شد، که جانشینی امیدوارکننده برای سیلیکون برای ساخت ترانزیستورهای کوچکتر و با کارایی بالا در نظر گرفته می‌شد. چنین مواد دوبعدی می توانند خواص نیمه هادی خود را حتی در مقیاس های کوچک به اندازه یک اتم حفظ کنند، در حالی که عملکرد سیلیکون به شدت کاهش می یابد.

در کار قبلی خود، تیم TMD ها را رشد داد روی ویفرهای سیلیکونی با پوشش های آمورف و همچنین روی TMD های موجود. کیم و همکارانش برای تشویق اتم‌ها به ترتیب خود را به شکل تک بلوری با کیفیت بالا، به جای اختلال تصادفی و چند کریستالی، ابتدا یک ویفر سیلیکونی را در یک لایه بسیار نازک یا “ماسک” از دی اکسید سیلیکون پوشاندند که آن را با الگوبرداری کردند. دهانه ها یا جیب های کوچک آنها سپس گازی از اتم ها را روی ماسک جاری کردند و دریافتند که اتم ها به عنوان “دانه” در جیب ها قرار می گیرند. جیب ها دانه ها را برای رشد در الگوهای منظم و تک کریستالی محدود می کردند.

اما در آن زمان، این روش تنها در دمای حدود 900 درجه سانتیگراد کار می کرد.

کیم می‌گوید: «شما باید این ماده تک بلوری را زیر 400 درجه سانتی‌گراد رشد دهید، در غیر این صورت مدارهای زیرین کاملاً پخته و خراب شده‌اند». بنابراین، تکلیف ما این بود که باید تکنیک مشابهی را در دمای کمتر از 400 درجه سانتیگراد انجام می‌دادیم. اگر بتوانیم این کار را انجام دهیم، تأثیر آن قابل توجه خواهد بود.»

ساختن

کیم و همکارانش در کار جدید خود به دنبال تنظیم دقیق روش خود بودند تا مواد دوبعدی تک کریستالی را در دماهای به اندازه کافی پایین برای حفظ مدارهای زیرین رشد دهند. آنها یک راه حل شگفت آور ساده در متالورژی پیدا کردند – علم و صنعت تولید فلز. هنگامی که متالورژیست ها فلز مذاب را در قالب می ریزند، مایع به آرامی “هسته” می شود، یا دانه هایی را تشکیل می دهد که رشد می کنند و به کریستالی با الگوی منظم ادغام می شوند که به شکل جامد سخت می شود. متالورژی ها دریافته اند که این هسته سازی به آسانی در لبه های قالبی که فلز مایع درون آن ریخته می شود، رخ می دهد.

کیم می‌گوید: «مشخص است که هسته‌زایی در لبه‌ها به انرژی و گرمای کمتری نیاز دارد. بنابراین ما این مفهوم را از متالورژی وام گرفتیم تا برای سخت افزار هوش مصنوعی آینده از آن استفاده کنیم.

این تیم به دنبال رشد TMD های تک کریستالی بود روی ویفر سیلیکونی که قبلاً با مدار ترانزیستور ساخته شده است. آنها ابتدا مدار را با ماسکی از دی اکسید سیلیکون پوشاندند، درست مانند کارهای قبلی خود. آنها سپس “دانه‌های” TMD را در لبه‌های هر یک از جیب‌های ماسک قرار دادند و دریافتند که این دانه‌های لبه در دمای کمتر از 380 درجه سانتی‌گراد در مقایسه با دانه‌هایی که در مرکز شروع به رشد کرده‌اند، در دمای کمتر از 380 درجه سانتی‌گراد به مواد تک بلوری تبدیل می‌شوند. لبه های هر جیب، که برای تشکیل مواد تک کریستالی به دمای بالاتری نیاز داشت.

محققان از روش جدید برای ساخت یک تراشه چند لایه با لایه‌های متناوب از دو TMD مختلف استفاده کردند – دی سولفید مولیبدن، ماده‌ای امیدوارکننده برای ساخت ترانزیستورهای نوع n. و تنگستن دیزلنید، ماده ای که پتانسیل ساخت ترانزیستورهای نوع p را دارد. ترانزیستورهای نوع p و n هر دو بلوک های سازنده الکترونیکی برای انجام هر عملیات منطقی هستند. این تیم توانست هر دو ماده را به شکل تک کریستالی، مستقیماً رشد دهد روی روی هم، بدون نیاز به ویفرهای سیلیکونی متوسط. کیم می گوید که این روش به طور موثر چگالی عناصر نیمه هادی یک تراشه و به ویژه نیمه هادی اکسید فلزی (CMOS) را دو برابر می کند، که بلوک اصلی یک مدار منطقی مدرن است.

کیم می‌گوید: «محصولی که با تکنیک ما ساخته می‌شود، نه تنها یک تراشه منطقی سه‌بعدی، بلکه حافظه سه‌بعدی و ترکیب آن‌ها است. با روش سه بعدی یکپارچه مبتنی بر رشد ما، می توانید ده ها تا صدها لایه منطقی و حافظه را رشد دهید، درست است. روی بالای یکدیگر، و آنها می توانند به خوبی ارتباط برقرار کنند.”

تراشه‌های سه‌بعدی معمولی با ویفرهای سیلیکونی در میان، با سوراخ کردن ویفر ساخته شده‌اند. process نویسنده اول Kiseok Kim اضافه می کند که تعداد لایه های روی هم، وضوح تراز عمودی و بازده را محدود می کند. “روش مبتنی بر رشد ما به یکباره به همه این مسائل می پردازد.”

کیم برای تجاری‌سازی بیشتر طراحی تراشه‌های انباشته خود، اخیراً شرکتی به نام FS2 (مواد دو بعدی نیمه‌رسانای آینده) را راه‌اندازی کرده است.

او می‌گوید: «ما تاکنون مفهومی را در آرایه‌های دستگاه‌های مقیاس کوچک نشان داده‌ایم. “مرحله بعدی افزایش مقیاس برای نمایش عملکرد تراشه های هوش مصنوعی حرفه ای است.”

این تحقیق تا حدی توسط موسسه فناوری پیشرفته سامسونگ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده پشتیبانی می شود.