More than Moore -konsepti

Nykypäivän edistyneimmät sirut sisältävät lähes 50 miljardia transistoria. Penn Staten tutkijoiden mukaan tehtävä tunkea entistä enemmän transistoreita sirulle on muuttunut yhä vaikeammaksi.

Nature - lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tekniikan tieteen ja mekaniikan apulaisprofessori ja tutkimuksen vastaava kirjoittaja Saptarshi Das ja hänen tiiminsä ehdottavat parannuskeinoa: 3D-integraation toteuttamista saumattomasti 2D-materiaalien kanssa.

Tutkimuksessa hahmotellun työn avulla Saptarshi ja tiimi osoittavat toteuttamiskelpoisia polkuja nykyisen tekniikan skaalaamisen lisäksi saavuttaakseen sekä More Moore- että More than Moore -konseptien monoliittisen 3D-integraation.

Monoliittinen 3D-integraatiossa piirirakenteen valmistetaan suoraan alla olevaan perusrakenteeseen verrattuna perinteiseen erikseen valmistettujen kerrosten pinoamiseen.

"Monoliittinen 3D-integraatio tarjoaa korkeimman tiheyden pystysuuntaisia yhteyksiä, koska se ei ole riippuvainen kahden esikuvioidun sirun liittämisestä - mikä vaatisi mikronystyjä, joilla kaksi sirua liitetään yhteen - joten käytettävissä on enemmän tilaa yhteyksien tekemiseen", sanoo Najam Sakib tutkimuksen toinen kirjoittaja.

Monoliittisella 3D-integraatiolla on kuitenkin edessään merkittäviä haasteita, kuten se, että perinteiset piikomponentit sulaisivat prosessointilämpötiloissa. Kun lämpötila saadaan laskettua 200 C:een niin 2D-materiaalit kestävät prosessissa tarvittavia lämpötiloja.

Tutkijat käyttivät olemassa olevia tekniikoita lähestymistapaansa, mutta he ovat ensimmäisinä onnistuneet saavuttamaan monoliittisen 3D-integraation tässä mittakaavassa käyttämällä 2D-transistoreja, jotka on valmistettu siirtymämetallidikalkogenidien 2D-puolijohteista.

Pienentämällä laitteiden välistä etäisyyttä tutkijat saavuttivat "More Moore" -tilanteen. Integroimalla 2D-materiaaleista valmistettuja transistoreita kolmiulotteisesti tutkijat täyttivät myös "More than Moore" -kriteerin.

Työssään tutkijat esittelevät kiekkotason ja monoliittisen kaksitasoisen 3D-integraation, joka perustuu MoS2:een, yli 10 000 kenttävaikutustransistoriin (FET) kussakin tasossa. Edelleen he toteuttivat 3D-integraation jossa on käytetiin sekä MoS2:ta että WSe2:ta, noin 500 FET:in toteutukseen kussakin tasossa. Vauhtiin päästyään he toteuttivat myös kaksitasoinen 3D-integroinnin, joka perustuu 200 skaalattuun MoS2 FET:iin kussakin tasossa. Näiden transistorien kanavapituus oli 45 nanometriä.

Lisäksi he toteuttivat myös 3D-piirin ja esittelivät monikäyttöisiä ominaisuuksia, mukaan lukien tunnistuksen ja tallennuksen.

Tutkijat uskovat, että demonstraatiot toimivat perustana kehittyneemmille, erittäin tiheille ja toiminnallisesti erilaisille integroiduille piireille, joissa on suurempi määrä tasoja, jotka on integroitu monoliittisesti kolmanteen ulottuvuuteen.

Aiheesta aiemmin:

Atomintarkkaa 2D-materiaalien integrointia

2D-materiaaleista 3D-elektroniikkaa tekoälylaitteistoihin

Van der Waals:lla 2D-materiaaleista 3D-kiteiksi