Появляющиеся приложения ИИ, такие как чат-боты, генерирующие естественный человеческий язык, требуют более плотных и мощных компьютерных чипов. Но полупроводниковые чипы традиционно изготавливаются из объемных материалов, которые представляют собой коробчатые трехмерные структуры, поэтому укладка нескольких слоев транзисторов для создания более плотных интеграций очень затруднительна.
Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из сверхтонких двумерных материалов, толщина каждого из которых составляет всего около трех атомов, могут быть сложены в стопки для создания более мощных чипов. С этой целью исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали новую технологию, которая позволяет эффективно и качественно «выращивать» слои двумерных материалов из дихалькогенидов переходных металлов (TMD) непосредственно на полностью изготовленном кремниевом чипе для создания более плотных интеграций.
Выращивание двумерных материалов непосредственно на кремниевой КМОП-пластине представляло собой серьезную проблему, поскольку этот процесс обычно требует температуры около 600 градусов Цельсия, в то время как кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагреве выше 400 градусов. Теперь междисциплинарная группа исследователей Массачусетского технологического института разработала низкотемпературный процесс роста, который не повреждает чип. Технология позволяет интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы непосредственно поверх стандартных кремниевых схем.
В прошлом исследователи выращивали двумерные материалы в других местах, а затем переносили их на чип или пластину. Это часто приводит к возникновению дефектов, которые мешают работе конечных устройств и схем. Кроме того, плавный перенос материала становится чрезвычайно сложным в масштабах пластины. В отличие от этого, новый процесс позволяет вырастить гладкий, очень однородный слой на всей 8-дюймовой пластине.
Новая технология также позволяет значительно сократить время, необходимое для выращивания этих материалов. В то время как предыдущие подходы требовали более суток для выращивания одного слоя 2D материалов, новый подход позволяет вырастить равномерный слой TMD материала менее чем за час на всей 8-дюймовой пластине.
Благодаря высокой скорости и однородности, новая технология позволила исследователям успешно интегрировать слой двумерного материала на гораздо большие поверхности, чем было продемонстрировано ранее. Это делает их метод более подходящим для использования в коммерческих приложениях, где ключевыми являются пластины размером 8 дюймов и более.
«Использование двумерных материалов — это мощный способ увеличить плотность интегральной схемы. То, что мы делаем, похоже на строительство многоэтажного здания. Если у вас только один этаж, что является обычным случаем, то в нем не поместится много людей. Но если этажей будет больше, здание вместит больше людей, которые смогут создавать новые удивительные вещи. Благодаря гетерогенной интеграции, над которой мы работаем, у нас есть кремний в качестве первого этажа, а затем мы можем иметь много этажей двумерных материалов, интегрированных непосредственно сверху», — говорит Дзяди Жу, аспирант кафедры электротехники и информатики и один из ведущих авторов статьи об этой новой технике.
Жу написал статью вместе с соавтором Джи-Хуном Парком, постдоком Массачусетского технологического института; авторами-корреспондентами Цзин Конгом, профессором электротехники и информатики (EECS) и членом Исследовательской лаборатории электроники; и Томасом Паласиосом, профессором EECS и директором Лаборатории микросистемных технологий (MTL); а также другими сотрудниками Массачусетского технологического института, Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Ericsson Research. Статья опубликована сегодня в журнале Nature Nanotechnology.