Integrasi 3D Besar-besaran dari Transistor Semikonduktor 2D Mempercepat Hukum Moore

INSIDER Elektronik &Sensor

Peneliti Penn State mendemonstrasikan integrasi semikonduktor 3D dalam skala besar, mengkarakterisasi puluhan ribu perangkat menggunakan transistor 2D yang dibuat dengan semikonduktor 2D, memungkinkan gadget elektronik menjadi lebih pintar dan serbaguna. (Gambar:Elizabeth Flores- Gomez Murray/Institut Penelitian Material. Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang)

Hukum Moore, yang merupakan prinsip penskalaan mendasar untuk perangkat elektronik, memperkirakan bahwa jumlah transistor pada sebuah chip akan berlipat ganda setiap dua tahun, sehingga memastikan lebih banyak daya komputasi — tetapi ada batasannya.

Chip tercanggih saat ini menampung hampir 50 miliar transistor dalam ruang yang tidak lebih besar dari thumbnail Anda. Menurut peneliti Penn State, tugas untuk memasukkan lebih banyak transistor ke dalam area terbatas tersebut menjadi semakin sulit.

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan 10 Januari 2024 di jurnal Nature , Saptarshi Das, seorang profesor ilmu teknik dan mekanika serta salah satu penulis studi tersebut, dan timnya, menyarankan solusi:menerapkan integrasi 3D dengan material 2D secara lancar.

Di dunia semikonduktor, integrasi 3D berarti menumpuk beberapa lapisan perangkat semikonduktor secara vertikal. Pendekatan ini tidak hanya memfasilitasi pengemasan lebih banyak transistor berbasis silikon ke dalam chip komputer, yang biasa disebut sebagai “More Moore”, namun juga memungkinkan penggunaan transistor yang terbuat dari bahan 2D untuk menggabungkan beragam fungsi dalam berbagai lapisan tumpukan, sebuah konsep yang dikenal sebagai “More than Moore.”

Dengan pekerjaan yang diuraikan dalam penelitian ini, Saptarshi dan tim menunjukkan jalur yang layak di luar penskalaan teknologi saat ini untuk mencapai More Moore dan More than Moore melalui integrasi 3D monolitik. Integrasi 3D monolitik adalah proses fabrikasi di mana peneliti secara langsung membuat setiap perangkat pada perangkat di bawahnya, dibandingkan dengan proses tradisional yang menumpuk lapisan yang dibuat secara independen.

“Integrasi 3D monolitik menawarkan kepadatan koneksi vertikal tertinggi karena tidak bergantung pada pengikatan dua chip yang sudah berpola — yang akan memerlukan microbumps saat dua chip disatukan — sehingga Anda memiliki lebih banyak ruang untuk membuat koneksi,” kata Najam Sakib, asisten peneliti pascasarjana di bidang ilmu teknik dan mekanika dan salah satu penulis studi ini.

Namun, integrasi 3D monolitik menghadapi tantangan yang signifikan, menurut Darsith Jayachandran, asisten peneliti pascasarjana di bidang ilmu teknik dan mekanika dan salah satu penulis studi tersebut, karena komponen silikon konvensional akan meleleh di bawah suhu pemrosesan.

"Salah satu tantangannya adalah batas atas suhu proses sebesar 450 °C untuk integrasi back-end pada chip berbasis silikon. Pendekatan integrasi 3D monolitik kami menurunkan suhu tersebut secara signifikan, menjadi kurang dari 200 °C," kata Jayachandran, menjelaskan bahwa batas atas suhu proses adalah suhu maksimum yang diperbolehkan sebelum merusak struktur prefabrikasi. “Anggaran suhu proses yang tidak kompatibel membuat integrasi 3D monolitik menjadi sulit dengan chip silikon, namun material 2D dapat menahan suhu yang diperlukan untuk proses tersebut.”

Para peneliti menggunakan teknik yang ada untuk pendekatan mereka, namun mereka adalah orang pertama yang berhasil mencapai integrasi 3D monolitik pada skala ini menggunakan transistor 2D yang dibuat dengan semikonduktor 2D yang disebut dichalcogenides logam transisi.

Kemampuan untuk menumpuk perangkat secara vertikal dalam integrasi 3D juga memungkinkan komputasi yang lebih hemat energi karena memecahkan masalah mengejutkan untuk hal-hal kecil seperti transistor pada chip komputer:jarak.

"Dengan menumpuk perangkat secara vertikal di atas satu sama lain, Anda mengurangi jarak antar perangkat, dan oleh karena itu, Anda mengurangi jeda waktu dan juga konsumsi daya,” kata Rahul Pendurthi, asisten peneliti pascasarjana di bidang ilmu teknik dan mekanika dan salah satu penulis studi ini.

Dengan mengurangi jarak antar perangkat, para peneliti mencapai “More Moore.” Dengan menggabungkan transistor yang dibuat dengan bahan 2D, para peneliti juga memenuhi kriteria “Lebih dari Moore”. Material 2D dikenal karena sifat elektronik dan optiknya yang unik, termasuk kepekaan terhadap cahaya, yang menjadikan material ini ideal sebagai sensor. Hal ini berguna, kata para peneliti, karena jumlah perangkat yang terhubung dan perangkat edge — seperti ponsel cerdas atau stasiun cuaca nirkabel di rumah yang mengumpulkan data di ‘edge’ jaringan — terus meningkat.

“’More Than Moore’ mengacu pada sebuah konsep di dunia teknologi di mana kita tidak hanya membuat chip komputer lebih kecil dan lebih cepat, tetapi juga dengan lebih banyak fungsi,” kata Muhtasim Ul Karim Sadaf, asisten peneliti pascasarjana di bidang ilmu teknik dan mekanika dan salah satu penulis studi tersebut. “Ini tentang menambahkan fitur baru dan berguna ke perangkat elektronik kita, seperti sensor yang lebih baik, pengelolaan baterai yang lebih baik, atau fungsi khusus lainnya, untuk menjadikan gadget kita lebih pintar dan serbaguna.”

Menggunakan perangkat 2D untuk integrasi 3D memiliki beberapa keuntungan lain, kata para peneliti. Salah satunya adalah mobilitas pembawa yang unggul, yang mengacu pada bagaimana muatan listrik dibawa dalam bahan semikonduktor. Alasan lainnya adalah menjadi sangat tipis, sehingga memungkinkan para peneliti untuk memasang lebih banyak transistor pada setiap tingkat integrasi 3D dan memungkinkan lebih banyak daya komputasi.

Meskipun sebagian besar penelitian akademis melibatkan prototipe skala kecil, penelitian ini menunjukkan integrasi 3D dalam skala besar, yang mengkarakterisasi puluhan ribu perangkat. Menurut Das, pencapaian ini menjembatani kesenjangan antara akademisi dan industri dan dapat mengarah pada kemitraan di masa depan di mana industri memanfaatkan keahlian dan fasilitas material 2D Penn State. Kemajuan dalam penskalaan dimungkinkan oleh ketersediaan dikalkogenida logam transisi berskala wafer berkualitas tinggi yang dikembangkan oleh para peneliti di Konsorsium Kristal Dua Dimensi (2DCC-MIP) Penn State, Platform Inovasi Material National Science Foundation (NSF) AS, dan fasilitas pengguna nasional.

“Terobosan ini sekali lagi menunjukkan peran penting penelitian material sebagai fondasi industri semikonduktor dan daya saing AS,” kata Charles Ying, direktur program Platform Inovasi Material NSF. "Upaya bertahun-tahun yang dilakukan Konsorsium Kristal Dua Dimensi Penn State untuk meningkatkan kualitas dan ukuran material 2D telah memungkinkan tercapainya integrasi 3D semikonduktor pada ukuran yang dapat transformatif untuk elektronik."

Menurut Das, kemajuan teknologi ini hanyalah langkah awal.

“Kemampuan kami untuk menunjukkan, pada skala wafer, sejumlah besar perangkat menunjukkan bahwa kami telah mampu menerjemahkan penelitian ini ke skala yang dapat diapresiasi oleh industri semikonduktor,” kata Das. "Kami telah menempatkan 30.000 transistor di setiap tingkatan, yang mungkin merupakan jumlah rekor. Hal ini menempatkan Penn State pada posisi yang sangat unik untuk memimpin sebagian pekerjaan dan bermitra dengan industri semikonduktor AS dalam memajukan penelitian ini."

Sumber