麻省理工學院工程師研發「高樓大廈」式3D晶片
麻省理工學院（MIT）的工程師們開發了一種無縫堆疊電子層的方法，旨在創造更快、更密集及更強大的電腦晶片。這項技術可使晶片上的晶體管數量指數級增長，從而提升人工智能硬件的效率。
目前，電子行業正面臨晶片表面可容納的晶體管數量的極限。因此，晶片製造商開始尋求「向上」而非「向外」的建設方法。與其在單一表面上擠壓越來越小的晶體管，業界希望堆疊多個晶體管和半導體元素的表面，類似將平房改造成高樓大廈。這種多層晶片能夠處理更多數據，並執行比當前電子設備更複雜的功能。
然而，當前的主要挑戰在於晶片的基礎平台。目前，笨重的矽晶圓是高品質單晶半導體元素生長的主要支撐。任何可堆疊的晶片都必須包含厚重的矽「地板」，這會減慢功能半導體層之間的通信速度。
現在，MIT的工程師們找到了一種解決方案，設計出不需要矽晶圓基板的多層晶片，並在足夠低的溫度下運作，以保護底層電路的完整性。
在今日發表於《自然》雜誌的研究中，團隊報告了使用新方法製造的多層晶片，這些晶片交替地生長著高品質的半導體材料，並直接堆疊在一起。這項技術使工程師能夠在任何隨機的晶體表面上建造高性能的晶體管和記憶體邏輯元件，而不僅僅是依賴笨重的矽晶圓。研究人員表示，去除這些厚矽基板後，多個半導體層之間可以更直接地接觸，從而提高層之間的通信和計算速度。
研究人員預見這項技術可用於建造人工智能硬件，例如堆疊式晶片，這些晶片在筆記本電腦或可穿戴設備中運行，速度和性能可媲美當前的超級計算機，並可儲存與實體數據中心相當的龐大數據。
研究作者之一的Jeehwan Kim表示：「這項突破為半導體行業開啟了巨大的潛力，允許晶片在沒有傳統限制的情況下堆疊。這可能會在人工智能、邏輯和記憶體應用中帶來數量級的性能提升。」
這項研究的MIT共同作者包括首席作者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，並與來自三星先進技術研究所、韓國的成均館大學及德克薩斯大學達拉斯分校的合作者合作。
種子點
在2023年，Kim的團隊報告他們開發了一種在非晶表面上生長高品質半導體材料的方法，這些非晶表面的形狀類似於成品晶片上半導體電路的多樣地形。他們所生長的材料是一種被稱為過渡金屬二硫化物（TMDs）的2D材料，被認為是製造更小、更高效晶體管的有前途的矽替代品。這些2D材料即使在單原子尺度下也能保持其半導體特性，而矽的性能在小於某一尺度後會急劇下降。
在之前的工作中，團隊在帶有非晶塗層的矽晶圓上以及現有的TMD上生長TMD材料。為了促使原子以高品質單晶形式排列，而不是隨機的多晶無序，Kim及其同事首先在矽晶圓上覆蓋了一層非常薄的矽氧化物膜，並在其上製作了微小的開口或凹槽。然後，他們讓原子氣體流經這個掩膜，發現原子在凹槽中定居，形成「種子」。這些凹槽使種子能夠在有規律的單晶模式中生長。
但當時，這種方法僅在約900攝氏度的溫度下有效。
Kim表示：「你必須在400攝氏度以下生長這種單晶材料，否則底層電路會被完全燒毀。因此，我們的任務是必須在低於400攝氏度的條件下進行類似的技術。如果能做到，影響將會是巨大的。」
向上建造
在最新的研究中，Kim和他的同事們調整了他們的方法，以便在足夠低的溫度下生長單晶2D材料，從而保護底層的電路。他們在冶金學中找到了意想不到的簡單解決方案——金屬生產的科學和技術。當冶金學家將熔融金屬倒入模具中時，液體會緩慢「成核」，形成生長和合併成規則圖案的晶體，最終硬化成固體。冶金學家發現，這種成核最容易在倒入液態金屬的模具邊緣發生。
Kim說：「眾所周知，邊緣成核需要的能量和熱量較少。因此，我們借用了這一概念來應用於未來的人工智能硬件。」
團隊嘗試在已經製造出晶體管電路的矽晶圓上生長單晶TMD。他們首先用矽氧化物掩膜覆蓋電路，與之前的工作類似。然後，他們在每個掩膜凹槽的邊緣沉積TMD的「種子」，發現這些邊緣的種子在低至380攝氏度的溫度下生長成單晶材料，而從每個凹槽中心開始生長的種子則需要更高的溫度才能形成單晶材料。
更進一步，研究人員利用這一新方法製造了交替層的多層晶片，這些層由兩種不同的TMD組成——二硫化鉬（molybdenum disulfide），這是一種有前景的n型晶體管製造材料；以及二硒化鈦（tungsten diselenide），這種材料具有轉化為p型晶體管的潛力。p型和n型晶體管是執行任何邏輯操作的電子基本構件。團隊能夠在沒有任何中間矽晶圓的情況下，將這兩種材料以單晶形式直接堆疊在一起。Kim表示，這一方法將有效提高晶片上半導體元素的密度，特別是金屬氧化物半導體（CMOS），這是現代邏輯電路的基本組件。
Kim指出：「我們的技術實現的產品不僅是3D邏輯晶片，還包括3D記憶體及其組合。通過我們的生長式單體3D方法，你可以在彼此之上生長數十到數百層邏輯和記憶體，並且它們之間的通信能力非常良好。」
首席作者Ki Seok Kim補充說：「傳統的3D晶片是通過在矽晶圓之間製作孔來製造的，這一過程限制了堆疊層數、垂直對齊精度和產量。我們的生長方法同時解決了所有這些問題。」
為了進一步商業化他們的可堆疊晶片設計，Kim最近創立了一家公司FS2（Future Semiconductor 2D Materials）。
他表示：「到目前為止，我們展示的是小規模設備陣列的概念。下一步是擴大規模，展示專業的人工智能晶片運行。」
這項研究部分得到了三星先進技術研究所和美國空軍科學研究辦公室的支持。
這項研究不僅顯示出MIT在半導體技術上的突破，更預示著未來電子產品在性能和能效上的巨大進步。隨著人工智能技術的快速發展，這類高效能晶片的需求將日益增加，MIT的這項研究無疑為業界帶來了新的希望和可能性。
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