电子堆叠技术可以成倍增加芯片上的晶体管数量，从而实现更高效的人工智能硬件。

当前，电子工业正在接近计算机芯片表面所能容纳的晶体管数量的极限。因此，芯片制造商正在寻求建立而不是向外发展。

该行业的目标不是将越来越小的晶体管挤在一个表面上，而是将晶体管和半导体元件的多个表面堆叠起来 —— 类似于将牧场平房变成高层建筑。与今天的电子产品相比，这种多层芯片可以处理指数级增长的数据，并执行许多更复杂的功能。

然而，一个重要的障碍是芯片的构建平台。今天，笨重的硅晶片是高质量单晶半导体元件生长的主要支架。任何可堆叠的芯片都必须包括厚硅“地板”作为每一层的一部分，这减慢了功能半导体层之间的任何通信。

现在，麻省理工学院的工程师们已经找到了一种绕过这个障碍的方法，他们设计了一种多层芯片，这种芯片不需要任何硅晶圆衬底，并且在足够低的温度下工作，以保留底层的电路。

在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，该团队报告说，他们使用这种新方法制造了一种多层芯片，这种芯片是由高质量的半导体材料层相互交替生长而成的。

这种方法使工程师们能够在任何随机的晶体表面上构建高性能晶体管、存储器和逻辑元件，而不仅仅是在庞大的硅片晶体支架上。研究人员说，没有这些厚硅衬底，多个半导体层可以更直接地接触，从而在层之间实现更好更快的通信和计算。

研究人员设想，这种方法可以用于构建人工智能硬件，以堆叠芯片的形式用于笔记本电脑或可穿戴设备，这将与今天的超级计算机一样快速和强大，并可以存储与物理数据中心相当的大量数据。

“这一突破为半导体行业开辟了巨大的潜力，允许芯片在没有传统限制的情况下堆叠，”研究作者、麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim说。“这可能会导致人工智能、逻辑和内存应用的计算能力得到数量级的提高。”

该研究的麻省理工学院共同作者包括第一作者Ki Seok Kim， Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-chul Shin, Min- kyu Song， Jin Feng和Sangho Lee，以及来自三星先进技术学院，韩国成均馆大学和德克萨斯大学达拉斯分校的合作者。

种子的口袋

2023年，Kim的团队报告说，他们开发了一种在非晶表面上生长高质量半导体材料的方法，类似于成品芯片上半导体电路的不同地形。他们培育的材料是一种被称为过渡金属二硫族化合物（TMDs）的二维材料，被认为是硅的一个有希望的继任者，可以制造更小、高性能的晶体管。这种二维材料即使在小到单个原子的尺度上也能保持其半导体特性，而硅的性能却急剧下降。

在之前的工作中，该团队在具有非晶体涂层的硅芯片上以及现有的TMD上生长了TMD。为了使原子排列成高质量的单晶形式，而不是无序无序的多晶形式，Kim和他的同事们首先在硅片上覆盖一层非常薄的二氧化硅薄膜，或称“掩膜”，在上面画上微小的开口或口袋。然后，他们在面罩上注入一种原子气体，发现原子以“种子”的形式进入了口袋。这些口袋限制种子以规则的单晶模式生长。

但在当时，这种方法只能在900摄氏度左右工作。

“你必须在低于400摄氏度的温度下生长这种单晶材料，否则底层电路就会完全烧坏，”Kim说。“所以，我们的作业是，我们必须在低于400摄氏度的温度下做类似的技术。如果我们能做到这一点，影响将是巨大的。”

建立

在他们的新工作中，Kim和他的同事们希望对他们的方法进行微调，以便在足够低的温度下生长单晶二维材料，以保留任何潜在的电路。他们在冶金学 —— 金属生产的科学和工艺 —— 中找到了一个令人惊讶的简单解决方案。当冶金学家将熔融金属倒入模具时，液体慢慢地“成核”，即形成颗粒，生长并合并成有规律的晶体，然后硬化成固体形式。冶金学家发现，这种形核最容易发生在浇注液态金属的模具边缘。

“已知在边缘成核需要较少的能量和热量，”Kim说。“所以我们从冶金学中借鉴了这一概念，用于未来的人工智能硬件。”

该团队希望在已经用晶体管电路制造的硅片上生长单晶TMD。他们首先用二氧化硅的掩膜覆盖电路，就像他们之前的工作一样。然后，他们将TMD的“种子”沉积在面具每个口袋的边缘，发现这些边缘种子在低至380摄氏度的温度下生长成单晶材料，而种子开始生长在远离每个口袋边缘的中心，这需要更高的温度才能形成单晶材料。

更进一步，研究人员使用新方法制造了一个多层芯片，其中两种不同的TMD交替层-二硫化钼，一种制造n型晶体管的有前途的候选材料；二硒化钨，一种有潜力制成p型晶体管的材料。p型和n型晶体管都是执行任何逻辑操作的电子构件。该团队能够以单晶形式种植这两种材料，直接在彼此的顶部，而不需要任何中间硅片。Kim说，这种方法将有效地使芯片半导体元件的密度增加一倍，特别是金属氧化物半导体（CMOS），这是现代逻辑电路的基本组成部分。

“通过我们的技术实现的产品不仅是3D逻辑芯片，而且是3D存储器及其组合，”Kim说。“通过我们基于增长的单片3D方法，你可以在彼此之上增长数十到数百个逻辑和存储层，并且它们能够很好地通信。”

第一作者kisseok Kim补充说：“传统的3D芯片是用硅片制造的，通过在硅片上钻孔，这一过程限制了堆叠层的数量、垂直对齐分辨率和产量。”“我们以增长为基础的方法一次性解决了所有这些问题。”

为了进一步实现可堆叠芯片设计的商业化，Kim最近成立了一家名为FS2（Future Semiconductor 2D materials）的公司。

他说：“到目前为止，我们展示了一个小规模设备阵列的概念。下一步是扩大规模，展示专业的人工智能芯片操作。”

这项研究得到了三星先进技术研究所和美国空军科学研究办公室的部分支持。

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