一种使用2D材料进行3D集成的新方法

美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员展示了一种使用 2D 材料进行 3D 集成的新颖方法。他们在最近的研究中详细介绍了这一进步，解决了将更多晶体管集成到越来越小的区域中所面临的日益严峻的挑战，这是半导体行业的一个关键问题，因为器件的尺寸不断缩小，同时需要增强的功能。

根据摩尔定律，芯片上的晶体管数量每两年就会增加一倍，保证处理能力的提高，但也有限制。

当今最强大的处理器在一个缩略图大小的区域内拥有大约 500 亿个晶体管，在这个狭小的区域安装更多晶体管的工作变得越来越困难。

该研究的共同通讯作者、工程科学与力学副教授 Saptarshi Das 及其同事在 2023 年 1 月 10 日发表在科学杂志《自然》上的一项研究中提出了一种解决方案：将 3D 集成与 2D 材料技术融合。

在半导体行业中，3D 集成是指多层半导体元件的垂直堆叠。这种方法不仅可以更轻松地将更多硅基晶体管集成到芯片上，还可以使用二维材料制成的晶体管在不同层中整合不同的功能堆栈，这被称为「超越摩尔」。

通过研究，Saptarshi 和团队表明，除了扩展现有技术之外，还有通过单片 3D 集成实现「更多摩尔」和「超越摩尔」的实用方法。研究人员使用单片 3D 集成，直接在彼此之上构建器件，而不是像过去那样堆叠单独制造的层。

宾夕法尼亚州立大学研究合著者兼研究生研究助理 Najam Sakib 表示，单片 3D 集成提供最高密度的垂直连接，因为它不依赖于两个预先图案化芯片的粘合（这需要将两个芯片粘合在一起的微凸块），因此有更多的空间来进行连接。

然而，工程科学和力学研究生助理、该研究的共同通讯作者 Darsith Jayachandran 指出，单片 3D 集成存在重大问题，因为传统的硅元件会在加工温度下熔化。Jayachandran 表示，其中一项挑战是硅基芯片后端集成的工艺温度上限为 450 摄氏度，我们的单片 3D 集成方法将温度降至 200 摄氏度以下。不兼容的工艺温度预算使单片 3D 集成面临挑战，但 2D 材料可以承受该工艺所需的温度。

该团队是第一个通过使用过渡金属二硫属化物（一种 2D 半导体）创建 2D 晶体管来实现如此规模的单片 3D 集成的人。

宾夕法尼亚州立大学研究生研究助理 Muhtasim Ul Karim Sadaf 表示，它为我们的电子设备添加了新的有用功能，例如更好的传感器、改进的电池管理或其它特殊功能，使我们的工具更加智能和多功能。

3D 集成垂直堆叠器件的能力也使更节能的计算成为可能，这解决了芯片上晶体管等微小组件的一个问题：距离。

宾夕法尼亚州立大学研究通讯作者和研究生研究助理 Rahul Pendurthi 表示，通过将器件垂直堆叠在一起，可以缩短它们之间的距离，从而减少延迟和功耗。

研究人员还通过利用二维材料构建的晶体管满足了「超越摩尔」的要求。

二维材料的特殊光学和电学特性（例如光敏感性）使其非常适合用作传感器。研究人员声称，鉴于边缘设备和链接设备的数量不断增加，例如无线家庭天气传感器和在网络边缘收集数据的手机，这很有帮助。

该研究的合著者、工程科学与力学研究生助理 Muhtasim Ul Karim Sadaf 表示：我们不仅要让芯片变得更小、更快，还要让芯片具有更多功能。

研究人员指出，使用 2D 材料进行 3D 集成还有更多好处。卓越的载流子迁移率是半导体材料的特性之一，它描述了电荷的传输方式。另一个是非常薄，这使得研究人员能够为 3D 集成的每一层添加更多的计算能力和更多的晶体管。

该研究展示了大规模的 3D 集成，这与使用小规模原型的典型学术研究形成鲜明对比。Das 声称，这一成就缩小了学术界和企业之间的差距，并可以为企业利用宾夕法尼亚州立大学在二维材料方面的资源和经验进行更多合作开辟了道路。

宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟 (2DCC-MIP)、国家用户设施和美国国家科学基金会 (NSF) 材料创新平台的科学家们生产的高质量、晶圆级过渡金二硫化物的可用性，使得该研究成果实现规模扩产成为可能。

NSF 材料创新平台项目总监 Charles Ying 补充道：「这一突破再次证明了材料研究作为半导体行业基础的重要作用。宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟多年来为提高 2D 材料的质量和尺寸所做的努力，使得实现半导体的 3D 集成成为可能，可以为电子产品带来变革。」

Das 认为，这只是技术进步的开始。

他指出：「我们能够在晶圆级展示大量器件，这表明我们已经能够将这项研究转化为半导体行业能够认可的规模。我们在每一层放置了 30,000 个晶体管，这可能是一个创纪录的数字。这使得宾夕法尼亚州立大学可以领导一些工作并与美国半导体行业合作推进这项研究。」

除了 Das、Jayachandran、Pendurthi、Sadaf 和 Sakib 之外，其他作者还包括工程科学与力学博士生 Andrew Pannone；陈晨，2DCC-MIP 助理研究教授；韩颖，机械工程博士后研究员；Nicholas Trainor，材料科学与工程博士生；Shalini Kumari，博士后学者；Thomas McKnight，材料科学与工程博士生；Joan Redwing，2DCC-MIP 主任、材料科学与工程和电气工程杰出教授；杨阳，工程科学与力学助理教授。