La industria electrónica ha alcanzado un límite en la cantidad de transistores que se pueden empaquetar en la superficie de un chip de computadora. Por lo tanto, los fabricantes de chips buscan construir, no salir.
En lugar de amontonar transistores cada vez más pequeños en una sola superficie, la industria apunta a apilar múltiples superficies de transistores y componentes semiconductores, algo similar a convertir una granja en un rascacielos. Estos chips multicapa pueden manejar exponencialmente muchos más datos y realizar funciones mucho más complejas que la electrónica actual.
Pero un obstáculo importante es la plataforma sobre la que se construyen los chips. Hoy en día, las obleas gigantes de silicio sirven como soporte principal sobre el que se cultivan los dispositivos semiconductores monocristalinos de alta calidad. Cualquier chip apilable debe incluir un “piso” de silicio grueso como parte de cada capa, lo que ralentiza el contacto entre las capas semiconductoras funcionales.
Ahora, los ingenieros del MIT han encontrado una manera de sortear este obstáculo, con un diseño de chip multicapa que no requiere sustrato de oblea de silicio y opera a temperaturas lo suficientemente bajas como para preservar los circuitos de la capa subyacente.
En un estudio publicado en la revista la naturalezaEl equipo informa que utiliza el nuevo método para crear un chip multicapa con capas alternas de material semiconductor de alta calidad cultivadas directamente una encima de la otra.
El método permite a los ingenieros fabricar transistores de alto rendimiento y componentes lógicos y de memoria en cualquier superficie de cristal aleatoria, no sólo en la estructura de cristal gigante de una oblea de silicio. Sin estos gruesos sustratos de silicio, múltiples capas de semiconductores pueden estar en contacto más directo, lo que permite una comunicación y un cálculo mejores y más rápidos entre capas, afirman los investigadores.
Los investigadores imaginan que el método podría usarse para crear hardware de IA, en forma de chips apilados para computadoras portátiles o dispositivos portátiles, que sería tan rápido y poderoso como las supercomputadoras actuales y podría almacenar cantidades masivas de datos a la par de los centros de datos físicos. .
“Este avance abre enormes posibilidades para la industria de los semiconductores, permitiendo que los chips se apilen sin las limitaciones tradicionales”, afirmó el autor del estudio Jehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Esto podría conducir a una mejora de orden de magnitud en la potencia informática para aplicaciones de inteligencia artificial, lógica y memoria”.
Entre los coautores del estudio del MIT se encuentran el primer autor Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Doyun Lee, Jung-El Ryu, Jaekyung Kim, Jun Min Suh, Jun-Chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng y Sangho Lee de Samsung. Instituto Avanzado de Tecnología, Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur y colaboradores de la Universidad de Texas en Dallas.
bolsillo de semillas
En 2023, el grupo de Kim informó que habían desarrollado un método para cultivar materiales semiconductores de alta calidad en superficies amorfas, similar a las diversas topografías de los circuitos semiconductores en chips terminados. El material que cultivaron fue un tipo de material 2D conocido como dicalcogenuros de metales de transición, o TMD, que se consideran un sucesor prometedor del silicio para fabricar transistores pequeños de alto rendimiento. Estos materiales 2D pueden conservar sus propiedades semiconductoras incluso en tamaños tan pequeños como un solo átomo, mientras que la funcionalidad del silicio cae drásticamente.
En su trabajo anterior, el equipo cultivó TMD en obleas de silicio con recubrimientos amorfos, así como sobre TMD existentes. Para alentar a los átomos a organizarse en formas monocristalinas de alta calidad en lugar de un desorden policristalino aleatorio, Kim y sus colegas primero cubrieron una oblea de silicio, o “máscara” de dióxido de silicio, en una película muy delgada, a la que modelaron. Pequeñas aberturas o bolsillos. Luego hacen fluir un gas de átomos sobre la máscara y ven que los átomos se depositan como “semillas” en los bolsillos. Los bolsillos unen las semillas para que crezcan en patrones monocristalinos regulares.
Pero en aquel momento el método funcionaba a unos 900 grados centígrados.
“Hay que calentar este material monocristalino por debajo de los 400 grados Celsius; de lo contrario, los circuitos subyacentes se cocinan y destruyen por completo”, dice Kim. “Entonces, nuestra tarea fue que necesitamos hacer una técnica similar a temperaturas inferiores a 400 grados Celsius. Si podemos hacer eso, el efecto será sustancial”.
construyendo
En su nuevo trabajo, Kim y sus colegas buscaron perfeccionar su método para cultivar materiales 2D monocristalinos a temperaturas lo suficientemente bajas como para preservar cualquier circuito subyacente. Encontraron una solución sorprendentemente simple en la metalurgia: la ciencia y el oficio de la fabricación de metales. Cuando los metalúrgicos vierten metal fundido en un molde, el líquido forma lentamente “nucleados” o granos, que se fusionan en un cristal con un patrón regular que se convierte en un sólido. Los metalúrgicos han descubierto que esta nucleación se produce más fácilmente en el borde de un molde en el que se vierte el metal líquido.
“Resulta que la nucleación en el borde requiere menos energía y calor”, dice Kim. “Así que tomamos prestado este concepto de la metalurgia para usarlo en el futuro hardware de IA”.
El equipo examinó el cultivo de TMD monocristalinos en una oblea de silicio ya construida con circuitos de transistores. Primero, el equipo cubrió los circuitos con una máscara de dióxido de silicio, similar a su trabajo anterior. Luego depositaron “semillas” de TMD en los bordes de cada bolsillo de la máscara y descubrieron que las semillas en estos bordes crecían hasta convertirse en material monocristalino a temperaturas tan bajas como 380°C, en comparación con las semillas que comenzaron a crecer en el centro, más lejos. El borde de cada bolsillo, que requiere alta temperatura para formar un material monocristalino.
Yendo un paso más allá, los investigadores utilizaron el nuevo método para fabricar chips multicapa alternando dos TMD diferentes: disulfuro de molibdeno, un material candidato prometedor para fabricar transistores de tipo n; y diseleniuro de tungsteno, un material que tiene el potencial de fabricar transistores tipo p. Tanto los transistores de tipo p como los de tipo n son bloques de construcción electrónicos para realizar cualquier operación lógica. El equipo pudo cultivar ambos materiales directamente uno encima del otro, en forma monocristalina, sin necesidad de obleas de silicio intermedias. Kim dijo que el método duplicaría efectivamente la densidad de los componentes semiconductores de un chip y, específicamente, los semiconductores de óxido metálico (CMOS), un componente fundamental de los circuitos lógicos modernos.
“Un producto realizado con nuestra técnica no es sólo un chip lógico 3D sino una memoria 3D y su combinación”, dijo Kim. “Con nuestro enfoque 3D monolítico basado en el crecimiento, puedes hacer crecer cientos de capas de lógica y memoria una encima de otra, y podrán comunicarse muy bien”.
“Los chips 3D tradicionales están hechos de obleas de silicio, perforando agujeros a través de la oblea, un proceso que limita el número de capas apiladas, la resolución de alineación vertical y el rendimiento”, añadió el primer autor Kisek Kim. “Nuestro enfoque orientado al crecimiento resuelve todos estos problemas a la vez”.
Para comercializar aún más su diseño de chip apilable, Kim formó recientemente una empresa, FS2 (Future Semiconductor 2D Materials).
“Hasta ahora mostramos un concepto en un conjunto de dispositivos a pequeña escala”, afirma. “El siguiente paso es ampliar la escala para demostrar el funcionamiento profesional del chip de IA”.
Esta investigación cuenta con el apoyo del Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.