مهندسان، چیپ‌های 3D برج‌گونه ایجاد کردند!

تحولی در صنعت الکترونیک: طراحی تراشه‌های چندلایه

صنعت الکترونیک به نقطه‌ای نزدیک می‌شود که دیگر نمی‌تواند تعداد بیشتری ترانزیستور را بر روی سطح یک تراشه کامپیوتری جا دهد. بنابراین، تولیدکنندگان تراشه به دنبال ساخت تراشه‌هایی با لایه‌های بیشتر به جای افزایش سطح هستند. به‌جای فشردن ترانزیستورهای کوچکتر بر روی یک سطح، این صنعت به دنبال انباشتن چندین سطح از ترانزیستورها و عناصر نیمه‌رسانا است؛ مانند تبدیل یک خانه ویلایی به یک ساختمان بلند. این تراشه‌های چندلایه می‌توانند داده‌های بسیار بیشتری را پردازش کرده و عملکردهای پیچیده‌تری را نسبت به الکترونیک‌های امروزی انجام دهند.

با این حال، یک مانع عمده، پلتفرمی است که تراشه‌ها بر روی آن ساخته می‌شوند. در حال حاضر، ویفرهای سیلیکونی حجیم به عنوان داربست اصلی برای رشد عناصر نیمه‌رسانای با کیفیت بالا و تک بلوری استفاده می‌شوند. هر تراشه‌ای که بخواهد چندلایه باشد، باید شامل “کف” سیلیکونی ضخیم به عنوان بخشی از هر لایه باشد که این امر ارتباط بین لایه‌های نیمه‌رسانای عملکردی را کند می‌کند.

اکنون، مهندسان MIT راهی برای دور زدن این مانع پیدا کرده‌اند. آن‌ها تراشه‌های چندلایه‌ای را طراحی کرده‌اند که نیازی به زیرلایه‌های ویفر سیلیکونی ندارند و در دماهای پایین‌تری کار می‌کنند تا مدارهای لایه‌های زیرین حفظ شوند. در مطالعه‌ای که در نشریه Nature منتشر شده، این تیم گزارش می‌دهد که از روش جدید برای ساخت یک تراشه چندلایه با لایه‌های متناوب از مواد نیمه‌رسانای با کیفیت بالا که به طور مستقیم بر روی یکدیگر رشد کرده‌اند، استفاده کرده‌اند.

این روش به مهندسان این امکان را می‌دهد که ترانزیستورها و عناصر حافظه و منطقی با عملکرد بالا را بر روی هر سطح بلوری تصادفی بسازند و نه فقط بر روی داربست بلوری حجیم ویفرهای سیلیکونی. بدون این زیرلایه‌های ضخیم سیلیکونی، لایه‌های نیمه‌رسانا می‌توانند در تماس مستقیم‌تری باشند که منجر به ارتباط و محاسبات بهتر و سریع‌تر بین لایه‌ها می‌شود، به گفته محققان.

محققان تصور می‌کنند که این روش می‌تواند برای ساخت سخت‌افزارهای هوش مصنوعی، به شکل تراشه‌های انباشته برای لپ‌تاپ‌ها یا دستگاه‌های پوشیدنی، استفاده شود که به اندازه ابرکامپیوترهای امروزی سریع و قدرتمند بوده و می‌توانند مقادیر زیادی داده را به اندازه مراکز داده فیزیکی ذخیره کنند. این پیشرفت پتانسیل عظیمی برای صنعت نیمه‌رسانا ایجاد می‌کند و اجازه می‌دهد تراشه‌ها بدون محدودیت‌های سنتی انباشته شوند، می‌گوید جی‌هوان کیم، نویسنده مطالعه و استاد مهندسی مکانیک در MIT. این می‌تواند به بهبودهای چند برابری در قدرت محاسباتی برای کاربردهای هوش مصنوعی، منطق و حافظه منجر شود.

پیشرفت‌های جدید در مواد نیمه‌رسانا

نویسندگان همکار این مطالعه از MIT شامل کی سئوک کیم، سئونگ‌هوان سئو، دو یون لی، جونگ-ال ری، جکیونگ کیم، جون مین سو، جون-چول شین، مین-کیو سونگ، جین فنگ و سانگ‌هو لی هستند، به همراه همکارانی از مؤسسه فناوری پیشرفته سامسونگ، دانشگاه سونگکیونکوان در کره جنوبی و دانشگاه تگزاس در دالاس.

در سال 2023، گروه کیم گزارش داد که روشی برای رشد مواد نیمه‌رسانای با کیفیت بالا بر روی سطوح آمورف توسعه داده‌اند، مشابه با توپوگرافی متنوع مدارهای نیمه‌رسانا بر روی تراشه‌های نهایی. ماده‌ای که آن‌ها رشد دادند نوعی ماده 2D به نام دی‌کالکوژنیدهای فلز انتقالی یا TMDs است که به عنوان جانشینی امیدوارکننده برای سیلیکون در ساخت ترانزیستورهای کوچکتر و با عملکرد بالا در نظر گرفته می‌شود. این مواد 2D می‌توانند خواص نیمه‌رسانایی خود را حتی در مقیاس‌های کوچک به اندازه یک اتم حفظ کنند، در حالی که عملکرد سیلیکون به شدت کاهش می‌یابد.

در کار قبلی خود، تیم TMDها را بر روی ویفرهای سیلیکونی با پوشش‌های آمورف و همچنین بر روی TMDهای موجود رشد داد. برای تشویق اتم‌ها به ترتیب خود به شکل بلوری تک‌دانه با کیفیت بالا، به جای بی‌نظم و چندبلوری، کیم و همکارانش ابتدا یک ویفر سیلیکونی را با یک فیلم بسیار نازک یا “ماسک” از دی‌اکسید سیلیکون پوشاندند که با سوراخ‌های ریز یا جیب‌ها الگوگذاری شده بود. سپس آن‌ها گاز اتم‌ها را بر روی ماسک جاری کردند و دریافتند که اتم‌ها به عنوان “بذر” در جیب‌ها نشسته‌اند.

تحقیقات جدید در زمینه مواد دو بعدی تک بلوری

کیسه‌ها باعث می‌شوند که دانه‌ها در الگوهای منظم و تک بلوری رشد کنند. اما در آن زمان، این روش تنها در دماهای حدود ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کرد. کیم می‌گوید: “شما باید این ماده تک بلوری را در دماهای زیر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد رشد دهید، در غیر این صورت مدار زیرین کاملاً خراب و سوخته می‌شود.” او ادامه می‌دهد: “بنابراین، وظیفه ما این بود که باید تکنیک مشابهی را در دماهای پایین‌تر از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام دهیم. اگر می‌توانستیم این کار را انجام دهیم، تأثیر آن بسیار زیاد خواهد بود.”

بهبود روش‌های رشد مواد

در کار جدید خود، کیم و همکارانش به دنبال بهینه‌سازی روش خود بودند تا بتوانند مواد دو بعدی تک بلوری را در دماهایی پایین‌تر از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد رشد دهند و مدارهای زیرین را حفظ کنند. آن‌ها راه‌حلی به طرز شگفت‌آوری ساده در علم متالورژی پیدا کردند — علمی که به تولید فلزات مربوط می‌شود. زمانی که متالورژیست‌ها فلز مذاب را درون یک قالب می‌ریزند، مایع به آرامی هسته‌زایی می‌شود، یا دانه‌هایی تشکیل می‌دهد که رشد کرده و به یک کریستال منظم تبدیل می‌شوند و در نهایت به شکل جامد سخت می‌شوند. متالورژیست‌ها متوجه شده‌اند که این هسته‌زایی بیشتر در لبه‌های قالبی که فلز مایع در آن ریخته می‌شود، اتفاق می‌افتد. کیم می‌گوید: “مشهور است که هسته‌زایی در لبه‌ها به انرژی و حرارت کمتری نیاز دارد. بنابراین ما این مفهوم را از متالورژی قرض گرفتیم تا برای سخت‌افزارهای آینده هوش مصنوعی استفاده کنیم.”

رشد مواد تک بلوری TMD

تیم به دنبال رشد مواد تک بلوری TMD بر روی یک ویفر سیلیکونی بود که قبلاً با مدارهای ترانزیستوری ساخته شده بود. آن‌ها ابتدا مدارها را با یک ماسک از دی‌اکسید سیلیکون پوشاندند، درست مانند کار قبلی خود. سپس “دانه‌هایی” از TMD را در لبه‌های هر یک از کیسه‌های ماسک قرار دادند و متوجه شدند که این دانه‌های لبه‌ای در دماهای پایین تا ۳۸۰ درجه سانتی‌گراد به مواد تک بلوری تبدیل می‌شوند، در حالی که دانه‌هایی که در مرکز و دور از لبه‌های هر کیسه شروع به رشد کردند، به دماهای بالاتری برای تشکیل مواد تک بلوری نیاز داشتند.

ساخت تراشه چند لایه

با یک قدم جلوتر، محققان از روش جدید برای ساخت یک تراشه چند لایه با لایه‌های متناوب از دو نوع مختلف TMD استفاده کردند — دی‌سولفید مولیبدن، که یک ماده امیدوارکننده برای ساخت ترانزیستورهای نوع n است؛ و دی‌سلنید تنگستن، که پتانسیل تبدیل به ترانزیستورهای نوع p را دارد. هر دو نوع ترانزیستورهای p و n بلوک‌های سازنده الکترونیکی برای انجام هر نوع عملیات منطقی هستند. تیم توانست هر دو ماده را به صورت تک بلوری، به طور مستقیم روی یکدیگر رشد دهد، بدون نیاز به ویفر سیلیکونی میانی. کیم می‌گوید که این روش به طور مؤثری چگالی عناصر نیمه‌رسانا در یک تراشه را دو برابر خواهد کرد، به ویژه نیمه‌رساناهای اکسید فلزی (CMOS)، که یکی از بلوک‌های سازنده اصلی مدارهای منطقی مدرن است.

کیم می‌گوید: “محصولی که با تکنیک ما به دست می‌آید، نه تنها یک تراشه منطقی ۳ بعدی است، بلکه حافظه ۳ بعدی و ترکیب‌های آن‌ها نیز می‌باشد. با روش ۳ بعدی مونو لیتیک مبتنی بر رشد ما، می‌توانید ده‌ها تا صدها لایه منطقی و حافظه را به طور مستقیم روی یکدیگر رشد دهید و آن‌ها قادر خواهند بود به خوبی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.”

توسعه بیشتر طراحی تراشه

کیسوک کیم، نویسنده اول این تحقیق، اضافه می‌کند: “تراشه‌های ۳ بعدی معمولی با ویفرهای سیلیکونی در میان، با حفره‌هایی که از طریق ویفر ایجاد می‌شود، ساخته شده‌اند — فرآیندی که تعداد لایه‌های انباشته، دقت تراز عمودی و بازده‌ها را محدود می‌کند. روش مبتنی بر رشد ما به طور همزمان به همه این مسائل رسیدگی می‌کند.”

برای تجاری‌سازی بیشتر طراحی تراشه‌های قابل انباشته، کیم به تازگی شرکتی به نام FS2 (مواد نیمه‌رسانای دو بعدی آینده) تأسیس کرده است. او می‌گوید: “ما تا کنون یک مفهوم را در آرایه‌های دستگاه‌های کوچک نشان داده‌ایم. مرحله بعدی افزایش مقیاس برای نشان دادن عملکرد تراشه‌های حرفه‌ای هوش مصنوعی است.” این تحقیق به طور جزئی توسط موسسه پیشرفته فناوری سامسونگ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی حمایت می‌شود.