Исследователи из Университета науки и технологий короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии создали первый в мире шестислойный гибридный КМОП-чип.
До сих пор гибридные чипы с вертикальной архитектурой ограничивались всего двумя слоями. Новый прорыв приближает более компактную, быструю и энергоэффективную электронику .
«В разработке микросхем главное — вместить больше мощности в меньшем пространстве. Совершенствуя несколько этапов производства, мы создаем основу для вертикального масштабирования и повышения функциональной плотности, что значительно превосходит современные возможности», — объясняет ведущий автор исследования Сараванан Ювараджа.
В течение десятилетий производство полупроводников полагалось на уменьшение размеров транзистора для размещения как можно большего количества элементов на подложке. Однако сейчас транзисторы достигают предела собственных размеров и из-за квантовых эффектов и роста стоимости производства не могут быть уменьшены еще больше.
По мнению исследователей из KAUST, далее необходимо заниматься не уменьшением транзисторов, а использованием вертикальной архитектуры, которая предполагает размещение схем слой за слоем, однако это связано с серьезными сложностями.
Например, традиционное производство чипов происходит при высоких температурах. Это грозит повреждением нижних слоев, а выравнивание нескольких слоев с идеальной точностью представляется чрезвычайно сложным. В связи с этим разработчики предложили инновационный процесс, в котором каждый этап происходил при температуре, не превышающей 150°C. При этом большая часть работы выполнялась при температуре, близкой к комнатной. Это предотвратило повреждение нижних слоев при добавлении новых.
Каждый слой содержит транзисторы, обрабатывающие электрические сигналы. Некоторые из них изготовлены из неорганических материалов, например, оксида индия n-типа. Другие — из органических соединений.
Эти материалы, дополняющие друг друга, объединены в единую структуру, так называемую гибридную КМОН-структуру (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Разработчики также усовершенствовали способ подготовки и соединения каждой поверхности. Сохраняя гладкие и точно выровненные интерфейсы, они обеспечили эффективную передачу электрических сигналов между слоями.
В результате они получили чип с шестью активными слоями. Он продемонстрировал стабильную работу и энергоэффективные логические схемы, доказав, что вертикальное стекирование может обеспечить более высокую производительность без перегрева и электрических помех.
В области гибкой электроники и носимых устройств такой подход может привести к созданию более компактных датчиков, медицинских устройств, которые можно будет сгибать, растягивать или даже интегрировать в одежду. Крошечные устройства могли бы обеспечивать более эффективные и мощные вычисления при минимальном энергопотреблении.
Однако исследования все еще находятся на стадии проверки концепции. Чипы должны стать более стабильными при высоких температурах и быть адаптированными для крупномасштабного производства, прежде чем они смогут выйти на коммерческий рынок. Команда KAUST планирует усовершенствовать материалы и повысить долгосрочную надежность своей конструкции, одновременно исследуя возможности интеграции еще большего количества слоев и функций в будущем.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Electronics
Источник: Interesting Engineering
