一種使用2D材料進行3D集成的新方法

美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員展示了一種使用 2D 材料進行 3D 集成的新穎方法。他們在最近的研究中詳細介紹了這一進步，解決了將更多晶體管集成到越來越小的區域中所面臨的日益嚴峻的挑戰，這是半導體行業的一個關鍵問題，因為器件的尺寸不斷縮小，同時需要增強的功能。

根據摩爾定律，芯片上的晶體管數量每兩年就會增加一倍，保證處理能力的提高，但也有限制。

當今最強大的處理器在一個縮略圖大小的區域內擁有大約 500 億個晶體管，在這個狹小的區域安裝更多晶體管的工作變得越來越困難。

該研究的共同通訊作者、工程科學與力學副教授 Saptarshi Das 及其同事在 2023 年 1 月 10 日發表在科學雜志《自然》上的一項研究中提出了一種解決方案：將 3D 集成與 2D 材料技術融合。

在半導體行業中，3D 集成是指多層半導體元件的垂直堆疊。這種方法不僅可以更輕松地將更多硅基晶體管集成到芯片上，還可以使用二維材料制成的晶體管在不同層中整合不同的功能堆棧，這被稱為「超越摩爾」。

通過研究，Saptarshi 和團隊表明，除了擴展現有技術之外，還有通過單片 3D 集成實現「更多摩爾」和「超越摩爾」的實用方法。研究人員使用單片 3D 集成，直接在彼此之上構建器件，而不是像過去那樣堆疊單獨制造的層。

賓夕法尼亞州立大學研究合著者兼研究生研究助理 Najam Sakib 表示，單片 3D 集成提供最高密度的垂直連接，因為它不依賴于兩個預先圖案化芯片的粘合（這需要將兩個芯片粘合在一起的微凸塊），因此有更多的空間來進行連接。

然而，工程科學和力學研究生助理、該研究的共同通訊作者 Darsith Jayachandran 指出，單片 3D 集成存在重大問題，因為傳統的硅元件會在加工溫度下熔化。Jayachandran 表示，其中一項挑戰是硅基芯片后端集成的工藝溫度上限為 450 攝氏度，我們的單片 3D 集成方法將溫度降至 200 攝氏度以下。不兼容的工藝溫度預算使單片 3D 集成面臨挑戰，但 2D 材料可以承受該工藝所需的溫度。

該團隊是第一個通過使用過渡金屬二硫屬化物（一種 2D 半導體）創建 2D 晶體管來實現如此規模的單片 3D 集成的人。

賓夕法尼亞州立大學研究生研究助理 Muhtasim Ul Karim Sadaf 表示，它為我們的電子設備添加了新的有用功能，例如更好的傳感器、改進的電池管理或其它特殊功能，使我們的工具更加智能和多功能。

3D 集成垂直堆疊器件的能力也使更節能的計算成為可能，這解決了芯片上晶體管等微小組件的一個問題：距離。

賓夕法尼亞州立大學研究通訊作者和研究生研究助理 Rahul Pendurthi 表示，通過將器件垂直堆疊在一起，可以縮短它們之間的距離，從而減少延遲和功耗。

研究人員還通過利用二維材料構建的晶體管滿足了「超越摩爾」的要求。

二維材料的特殊光學和電學特性（例如光敏感性）使其非常適合用作傳感器。研究人員聲稱，鑒于邊緣設備和鏈接設備的數量不斷增加，例如無線家庭天氣傳感器和在網絡邊緣收集數據的手機，這很有幫助。

該研究的合著者、工程科學與力學研究生助理 Muhtasim Ul Karim Sadaf 表示：我們不僅要讓芯片變得更小、更快，還要讓芯片具有更多功能。

研究人員指出，使用 2D 材料進行 3D 集成還有更多好處。卓越的載流子遷移率是半導體材料的特性之一，它描述了電荷的傳輸方式。另一個是非常薄，這使得研究人員能夠為 3D 集成的每一層添加更多的計算能力和更多的晶體管。

該研究展示了大規模的 3D 集成，這與使用小規模原型的典型學術研究形成鮮明對比。Das 聲稱，這一成就縮小了學術界和企業之間的差距，并可以為企業利用賓夕法尼亞州立大學在二維材料方面的資源和經驗進行更多合作開辟了道路。

賓夕法尼亞州立大學二維晶體聯盟 (2DCC-MIP)、國家用戶設施和美國國家科學基金會 (NSF) 材料創新平臺的科學家們生產的高質量、晶圓級過渡金二硫化物的可用性，使得該研究成果實現規模擴產成為可能。

NSF 材料創新平臺項目總監 Charles Ying 補充道：「這一突破再次證明了材料研究作為半導體行業基礎的重要作用。賓夕法尼亞州立大學二維晶體聯盟多年來為提高 2D 材料的質量和尺寸所做的努力，使得實現半導體的 3D 集成成為可能，可以為電子產品帶來變革?！?/p>

Das 認為，這只是技術進步的開始。

他指出：「我們能夠在晶圓級展示大量器件，這表明我們已經能夠將這項研究轉化為半導體行業能夠認可的規模。我們在每一層放置了 30,000 個晶體管，這可能是一個創紀錄的數字。這使得賓夕法尼亞州立大學可以領導一些工作并與美國半導體行業合作推進這項研究?！?/p>

除了 Das、Jayachandran、Pendurthi、Sadaf 和 Sakib 之外，其他作者還包括工程科學與力學博士生 Andrew Pannone；陳晨，2DCC-MIP 助理研究教授；韓穎，機械工程博士后研究員；Nicholas Trainor，材料科學與工程博士生；Shalini Kumari，博士后學者；Thomas McKnight，材料科學與工程博士生；Joan Redwing，2DCC-MIP 主任、材料科學與工程和電氣工程杰出教授；楊陽，工程科學與力學助理教授。