L'intégration 3D massive de transistors semi-conducteurs 2D accélère la loi de Moore

Electronique et capteurs INSIDER

Les chercheurs de Penn State ont démontré l’intégration 3D de semi-conducteurs à grande échelle, caractérisant des dizaines de milliers de dispositifs utilisant des transistors 2D fabriqués avec des semi-conducteurs 2D, permettant aux gadgets électroniques de devenir éventuellement plus intelligents et plus polyvalents. (Image :Elizabeth Flores-Gomez Murray/Institut de recherche sur les matériaux. Tous droits réservés)

La loi de Moore, un principe de mise à l'échelle fondamental pour les appareils électroniques, prévoit que le nombre de transistors sur une puce doublera tous les deux ans, garantissant ainsi davantage de puissance de calcul, mais il existe une limite.

Les puces les plus avancées d'aujourd'hui abritent près de 50 milliards de transistors dans un espace pas plus grand que l'ongle de votre vignette. La tâche consistant à entasser encore plus de transistors dans cette zone confinée est devenue de plus en plus difficile, selon les chercheurs de Penn State.

Dans une étude publiée le 10 janvier 2024 dans la revue Nature , Saptarshi Das, professeur agrégé de sciences de l'ingénierie et de mécanique et auteur co-correspondant de l'étude, et son équipe, suggèrent une solution :mettre en œuvre de manière transparente l'intégration 3D avec des matériaux 2D.

Dans le monde des semi-conducteurs, l’intégration 3D signifie empiler verticalement plusieurs couches de dispositifs semi-conducteurs. Cette approche facilite non seulement l'intégration d'un plus grand nombre de transistors à base de silicium sur une puce informatique, communément appelée « More Moore », mais permet également l'utilisation de transistors fabriqués à partir de matériaux 2D pour incorporer diverses fonctionnalités dans différentes couches de la pile, un concept connu sous le nom de « More than Moore ».

Avec le travail décrit dans l'étude, Saptarshi et l'équipe démontrent des voies réalisables au-delà de la mise à l'échelle de la technologie actuelle pour atteindre à la fois More Moore et More than Moore grâce à l'intégration 3D monolithique. L'intégration 3D monolithique est un processus de fabrication dans lequel les chercheurs fabriquent directement chaque appareil sur celui ci-dessous, par rapport au processus traditionnel d'empilement de couches fabriquées indépendamment.

"L'intégration 3D monolithique offre la plus haute densité de connexions verticales car elle ne repose pas sur la liaison de deux puces pré-structurées - ce qui nécessiterait des microbosses où deux puces sont liées ensemble - vous disposez donc de plus d'espace pour établir des connexions", a déclaré Najam Sakib, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co-auteur de l'étude.

L'intégration 3D monolithique est cependant confrontée à des défis importants, selon Darsith Jayachandran, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co-auteur correspondant de l'étude, car les composants en silicium conventionnels fondraient sous les températures de traitement.

"L'un des défis est le plafond de température du processus de 450 °C pour l'intégration back-end des puces à base de silicium. Notre approche d'intégration 3D monolithique réduit considérablement cette température, à moins de 200 °C", a déclaré Jayachandran, expliquant que le plafond de température du processus est la température maximale autorisée avant d'endommager les structures préfabriquées. "Des budgets de température de processus incompatibles rendent l'intégration 3D monolithique difficile avec des puces de silicium, mais les matériaux 2D peuvent résister aux températures nécessaires au processus."

Les chercheurs ont utilisé des techniques existantes pour leur approche, mais ils sont les premiers à réussir une intégration 3D monolithique à cette échelle en utilisant des transistors 2D fabriqués avec des semi-conducteurs 2D appelés dichalcogénures de métaux de transition.

La possibilité d'empiler verticalement les appareils en intégration 3D a également permis une informatique plus économe en énergie, car elle a résolu un problème surprenant pour des objets aussi minuscules que les transistors sur une puce informatique :la distance.

"En empilant des appareils verticalement les uns sur les autres, vous réduisez la distance entre les appareils, et par conséquent, vous réduisez le décalage ainsi que la consommation d'énergie", a déclaré Rahul Pendurthi, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co-auteur correspondant de l'étude.

En réduisant la distance entre les appareils, les chercheurs ont obtenu « Plus de Moore ». En incorporant des transistors fabriqués avec des matériaux 2D, les chercheurs ont également satisfait au critère « Plus que Moore ». Les matériaux 2D sont connus pour leurs propriétés électroniques et optiques uniques, notamment leur sensibilité à la lumière, ce qui les rend idéaux comme capteurs. Ceci est utile, selon les chercheurs, car le nombre d'appareils connectés et d'appareils de périphérie (des éléments comme les smartphones ou les stations météorologiques domestiques sans fil qui collectent des données en « périphérie » d'un réseau) continue d'augmenter.

« « More Than Moore » fait référence à un concept du monde de la technologie selon lequel nous ne nous contentons pas de fabriquer des puces informatiques plus petites et plus rapides, mais également avec plus de fonctionnalités », a déclaré Muhtasim Ul Karim Sadaf, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co-auteur de l'étude. "Il s'agit d'ajouter de nouvelles fonctionnalités utiles à nos appareils électroniques, comme de meilleurs capteurs, une meilleure gestion de la batterie ou d'autres fonctions spéciales, pour rendre nos gadgets plus intelligents et plus polyvalents."

L'utilisation d'appareils 2D pour l'intégration 3D présente plusieurs autres avantages, ont indiqué les chercheurs. L’une est la mobilité supérieure des porteurs, qui fait référence à la manière dont une charge électrique est transportée dans les matériaux semi-conducteurs. Une autre solution consiste à être ultra-mince, ce qui permet aux chercheurs d'installer davantage de transistors sur chaque niveau de l'intégration 3D et d'obtenir davantage de puissance de calcul.

Alors que la plupart des recherches universitaires portent sur des prototypes à petite échelle, cette étude a démontré l’intégration 3D à grande échelle, caractérisant des dizaines de milliers d’appareils. Selon Das, cette réalisation comble le fossé entre le monde universitaire et l’industrie et pourrait conduire à de futurs partenariats dans lesquels l’industrie exploite l’expertise et les installations des matériaux 2D de Penn State. L'avancée en matière de mise à l'échelle a été rendue possible par la disponibilité de dichalcogénures de métaux de transition de haute qualité à l'échelle d'une tranche développés par des chercheurs du Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC-MIP) de Penn State, une plateforme d'innovation en matériaux de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et une installation d'utilisateurs nationaux.

"Cette avancée démontre une fois de plus le rôle essentiel de la recherche sur les matériaux en tant que fondement de l'industrie des semi-conducteurs et de la compétitivité des États-Unis", a déclaré Charles Ying, directeur du programme des plates-formes d'innovation des matériaux de la NSF. "Des années d'efforts du Two-Dimensional Crystal Consortium de Penn State pour améliorer la qualité et la taille des matériaux 2D ont permis de réaliser une intégration 3D de semi-conducteurs à une taille qui peut être transformatrice pour l'électronique."

Selon Das, cette avancée technologique n'est que la première étape.

"Notre capacité à démontrer, à l'échelle d'une tranche, un grand nombre de dispositifs montre que nous avons pu traduire cette recherche à une échelle qui peut être appréciée par l'industrie des semi-conducteurs", a déclaré Das. "Nous avons installé 30 000 transistors dans chaque niveau, ce qui pourrait être un nombre record. Cela place Penn State dans une position tout à fait unique pour diriger une partie du travail et s'associer à l'industrie américaine des semi-conducteurs pour faire avancer cette recherche."

Source