Новые 3D интегрированные металлические транзисторы для изготовления компактной электроники

Художественная иллюстрация 10-стойких транзисторов оксида металлов.Кредит: Yuvaraja et al.

Исследователи из Университета науки и технологии Кинг Абдулла (Kaust) недавно разработали новые трехмерные (3D) интегрированные транзисторы, которые могут быть вертикально сложены друг на друга.После предлагаемого их дизайна, представленного в статье, опубликованной в Nature Electronics, они смогли сформировать самое большое количество транзисторов на сегодняшний день, что может перевести в значительное повышение производительности электроники.

«Наша недавняя статья, которая демонстрирует наибольшее количество сложенных транзисторов с оксидом металлов в мире, возникшая в результате насущной необходимости преодоления ограничений традиционных плоских транзисторов»,-заявил Сяханг Ли, соавтор статьи Сяханг Ли.«По мере развития технологии спрос на более мощные, эффективные и компактные электронные устройства продолжает расти. Однако обычные плоские транзисторы достигают своих физических и производительности, что ограничивает их способность удовлетворить эти требования. Это также известно как замедление.вниз по закону Мура “.

Ли и его коллеги работают над преодолением известных проблем, затрагивающих полупроводниковую промышленность, такие как замедление закона Мура и поиск новых материалов или проектов, которые могут еще больше улучшить производительность транзисторов.Таким образом, они изучали новые и уникальные подходы, которые выходят за рамки 2D -макета обычных транзисторов.

В своей недавней работе они особенно оценивали возможность складывания транзисторов вертикально.Этот подход, по сути, влечет за собой укладку транзисторов друг на друга, что может увеличить плотность транзистора и, следовательно, также повысить производительность электроники.

«Первой целью нашего исследования было увеличение плотности транзистора», - объяснил Ли.«Разрабонив технологию с низким тепловым бюджетом и низкой межфазной шероховатой, мы разработали составной полупроводниковый транзистор толщиной толщиной толщиной.данная область, значительно повышая мощность и эффективность обработки ».

Дизайн, представленный этой командой исследователей, влечет за собой укладку десяти слоев оксида индия (IN2O3) тонкопленочных транзисторов (TFTS) на CMOS-совместимых кремниевых/кремниевых диоксид (SI/SIO2).Эта вертикальная конструкция максимизирует использование пластинного пространства, что приводит к большей плотности транзистора по сравнению с плоскими конструкциями.

«Транзисторы расположены в многослойной структуре, где каждый слой функционирует независимо, но вместе они способствуют общей производительности»,-сказал Ли.«Мы выбрали оксид индия (IN2O3) для полупроводникового материала из-за его превосходных электрических свойств и совместимости с обработкой комнатной температуры. Для диэлектрического слоя мы выбрали Parylene-C, который можно осадить при комнатной температуре и обеспечивает эффективную изоляцию».

Чтобы изготовить свои транзисторы, исследователи сначала отложили тонкий слой IN2O3 на кремниевую/кремниевую диоксидную пластину.Этот отложенный слой сформировал канал, через который протекают электрический ток.

«После слоя IN2O3 мы внесли слой Parylene-C»,-сказал Ли.«Этот материал служит диэлектрическим, изолируя каждый транзисторный слой и предотвращает электрические помехи между слоями».

Каждый слой в транзисторе команды был создан с использованием расширенного 72-шагового процесса, основанного на литографии.Этот процесс значительно более сложный, чем типичный 10-ступенчатый процесс, используемый для рисунка слоев в более простых электронных структурах.

«Каждый шаг требовал точного выравнивания и оптимизации дозы, чтобы обеспечить целостность и производительность каждого уровня», - пояснил Ли.

Исследователи повторяли шаги осаждения и паттерна несколько раз, пока они не сложили десять слоев транзисторов.Каждый из этих слоев был тщательно выровнен с другими, чтобы обеспечить правильное функционирование устройства и соединения между ними.

Новый вертикальный дизайн, представленный этой командой исследователей, обеспечивает большую плотность транзистора в данной области.Было обнаружено, что это приведет к большей мощности и эффективности обработки.

«Как слои IN2O3, так и парилен-C обрабатываются при комнатной температуре, что делает процесс изготовления более энергоэффективным и совместимым с существующими методами производства полупроводников»,-сказал Ли.”Электрические характеристики наших транзисторов, в том числе максимальная подвижность полевого эффекта 15 см2/V-1S-1, подпороговый наклон 0,4 В/декабрь-1 и соотношение тока до 108, превзойти этиИз многих существующих тонкопленочных транзисторов.

Инновационный дизайн транзистора, представленный в этой недавней статье, был до сих пор использовался для разработки высокопроизводительных транзисторов и высокой плотности с десятью вертикальными слоями, однако их плотность может быть увеличена дальше с течением времени.Таким образом, усилия команды могут способствовать дальнейшему улучшению электроники.

«Примечательно, что как полупроводниковые, так и парилен-C диэлектрические материалы IN2O3 могут обрабатываться при комнатной температуре»,-сказал Ли.«Это критическое достижение, поскольку он делает процесс изготовления более энергоэффективным и совместимым с существующими методами производства полупроводников».

В начальных испытаниях транзисторы, разработанные Ли и его коллегами, достигли замечательных электронных характеристик, включая максимальную мобильность полевого эффекта 15 см2/V-1S-1, подпороговый наклон 0,4 В/DEC-1 и ток включен/выключен/выключенСоотношение до 108. Эти показатели превосходят показатели многих существующих тонкопленочных транзисторов, а также приводят к более быстрой скорости переключения и снижению энергопотребления.

«Наша технология может значительно принести пользу индустрии мобильных устройств, позволяя разработать смартфоны, планшеты и носимые устройства следующего поколения с более высокой производительностью и более длительным сроком службы батареи»,-сказал Ли.«Экосистема IoT также требует компактных, энергоэффективных устройств, способных к обработке данных в реальном времени. Высокая производительность наших транзисторов и низкое энергопотребление делает их хорошо подходящими для различных приложений IoT, от умных домов до промышленной автоматизации».

Еще одним применением транзисторов команды может быть в искусственном интеллекте (ИИ) и машинного обучения (ML).Обучение и развертывание этих вычислительных инструментов требует существенной вычислительной мощности и эффективной обработки данных, что может быть подтверждено транзисторами исследователей.

«Помимо мобильных устройств, наша технология может улучшить широкий спектр потребительской электроники, включая устройства интеллектуальных домов, игровые приставки и системы дополненной/виртуальной реальности (AR/VR)», - сказал Ли.«Повышенная производительность и энергоэффективность могут привести к более отзывчивому и захватывающему опыту пользователей. Наши 10-стольные транзисторы также могут способствовать разработке автомобильной электроники, обеспечивая необходимую вычислительную мощность и надежность».

В будущем вертикально сложенные транзисторы также могут быть использованы для разработки более продвинутых и компактных медицинских устройств, таких как диагностические инструменты, биосенсоры, имплантируемые технологии и носимые мониторы здоровья.Между тем, Ли и его коллеги планируют изучить другие стратегии, чтобы расширить расширение транзисторов, не ставя под угрозу их успеваемость.

«Одной из наших основных целей для будущих исследований будет сокращение транзисторов от нынешнего микронного масштаба до наноразмерного»,-добавил Ли.”Достижение этого еще больше увеличит плотность транзистора, что позволит получить еще более высокую производительность и более компактные конструкции устройств. Мы также изучаем новые методы и топологии устройств, чтобы еще больше снизить энергопотребление, а также работать над повышением надежности и стабильности наших транзисторов, как этоможет облегчить их развертывание ».

More information: Saravanan Yuvaraja et al, Three-dimensional integrated metal-oxide transistors, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01205-0.