MIT-Forscher haben eine neue Herstellungsmethode entwickelt, die die Herstellung energieeffizienterer Elektronik durch Stapeln mehrerer Funktionskomponenten auf einem vorhandenen Schaltkreis ermöglichen könnte.
In herkömmlichen Schaltkreisen sind Logikbausteine, die Berechnungen durchführen, wie etwa Transistoren, und Speicherbausteine, die Daten speichern, als separate Komponenten aufgebaut, was dazu führt, dass Daten zwischen ihnen hin und her übertragen werden, was Energie verschwendet.
Diese neue Elektronik-Integrationsplattform ermöglicht es Wissenschaftlern, Transistoren und Speichergeräte in einem kompakten Stapel auf einem Halbleiterchip herzustellen. Dadurch wird ein Großteil dieser verschwendeten Energie eliminiert und gleichzeitig die Rechengeschwindigkeit erhöht.
Der Schlüssel zu diesem Fortschritt ist ein neu entwickeltes Materials mit einzigartigen Eigenschaften und einem präziseren Herstellungsansatz, der die Anzahl von Materialfehlern reduziert. Dies ermöglicht es den Forschern, extrem kleine Transistoren mit integriertem Speicher herzustellen, die schneller arbeiten als modernste Geräte und gleichzeitig weniger Strom verbrauchen als ähnliche Transistoren.
Durch die Verbesserung der Energieeffizienz elektronischer Geräte könnte dieser neue Ansatz dazu beitragen, den zunehmenden Stromverbrauch von Berechnungen zu reduzieren, insbesondere für anspruchsvolle Anwendungen wie generative KI, Deep Studying und Pc-Imaginative and prescient-Aufgaben.
„Wir müssen die Energiemenge, die wir in Zukunft für KI und andere datenzentrierte Berechnungen verbrauchen, minimieren, weil sie einfach nicht nachhaltig ist. Wir werden neue Technologien wie diese Integrationsplattform brauchen, um diesen Fortschritt fortzusetzen“, sagt Yanjie Shao, Postdoktorand am MIT und Hauptautor von zwei Artikeln über diese neuen Transistoren.
Die neue Technik wird in zwei Artikeln (von denen einer eingeladen wurde) beschrieben, die auf dem IEEE Worldwide Electron Gadgets Assembly vorgestellt wurden. Shao wird bei den Arbeiten von den leitenden Autoren Jesús del Alamo, dem Donner-Professor für Ingenieurwissenschaften an der MIT-Abteilung für Elektrotechnik und Informatik (EECS), begleitet; Dimitri Antoniadis, Ray und Maria Stata-Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT; sowie andere am MIT, der College of Waterloo und Samsung Electronics.
Das Downside umdrehen
Customary-CMOS-Chips (Complementary Steel-Oxide Semiconductor) verfügen traditionell über ein Entrance-Finish, in dem die aktiven Komponenten wie Transistoren und Kondensatoren hergestellt werden, und ein Again-Finish, das Drähte, sogenannte Verbindungen, und andere Metallverbindungen enthält, die Komponenten des Chips verbinden.
Bei der Datenübertragung zwischen diesen Verbindungen geht jedoch etwas Energie verloren, und geringfügige Fehlausrichtungen können die Leistung beeinträchtigen. Das Stapeln aktiver Komponenten würde die Distanz verringern, die Daten zurücklegen müssen, und die Energieeffizienz eines Chips verbessern.
Typischerweise ist es schwierig, Siliziumtransistoren auf einem CMOS-Chip zu stapeln, da die hohe Temperatur, die zur Herstellung zusätzlicher Geräte am Frontend erforderlich ist, die vorhandenen Transistoren darunter zerstören würde.
Die MIT-Forscher stellten dieses Downside auf den Kopf und entwickelten eine Integrationstechnik, um stattdessen aktive Komponenten auf der Rückseite des Chips zu stapeln.
„Wenn wir diese Again-Finish-Plattform nutzen können, um zusätzliche aktive Transistorschichten und nicht nur Verbindungen einzubauen, würde das die Integrationsdichte des Chips deutlich erhöhen und seine Energieeffizienz verbessern“, erklärt Shao.
Dies gelang den Forschern mithilfe eines neuen Supplies, amorphem Indiumoxid, als aktive Kanalschicht ihres Again-Finish-Transistors. In der aktiven Kanalschicht finden die wesentlichen Funktionen des Transistors statt.
Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Indiumoxid können sie bei einer Temperatur von nur etwa 150 Grad Celsius eine extrem dünne Schicht dieses Supplies auf dem hinteren Ende eines bestehenden Schaltkreises „wachsen lassen“, ohne das Gerät am vorderen Ende zu beschädigen.
Den Prozess perfektionieren
Sie haben den Herstellungsprozess sorgfältig optimiert, wodurch die Anzahl der Defekte in einer nur etwa 2 Nanometer dicken Schicht aus Indiumoxidmaterial minimiert wird.
Einige Defekte, sogenannte Sauerstofffehlstellen, sind für das Einschalten des Transistors notwendig, bei zu vielen Defekten funktioniert er jedoch nicht richtig. Dieser optimierte Herstellungsprozess ermöglicht es den Forschern, einen extrem kleinen Transistor herzustellen, der schnell und sauber arbeitet und so einen Großteil der zusätzlichen Energie eliminiert, die zum Ein- und Ausschalten eines Transistors erforderlich ist.
Aufbauend auf diesem Ansatz stellten sie auch Again-Finish-Transistoren mit integriertem Speicher her, die nur etwa 20 Nanometer groß sind. Dazu fügten sie als Speicherkomponente eine Materialschicht namens ferroelektrisches Hafnium-Zirkonium-Oxid hinzu.
Diese kompakten Speichertransistoren zeigten Schaltgeschwindigkeiten von nur 10 Nanosekunden und stießen damit an die Grenzen der Messinstrumente des Groups. Diese Umschaltung erfordert außerdem eine viel geringere Spannung als vergleichbare Geräte, was den Stromverbrauch senkt.
Und weil die Speichertransistoren so winzig sind, können die Forscher sie als Plattform nutzen, um die grundlegende Physik einzelner Einheiten aus ferroelektrischem Hafnium-Zirkonium-Oxid zu untersuchen.
„Wenn wir die Physik besser verstehen, können wir dieses Materials für viele neue Anwendungen nutzen. Der Energieverbrauch ist sehr gering und es gibt uns viel Flexibilität bei der Gestaltung von Geräten. Es könnte wirklich viele neue Wege für die Zukunft eröffnen“, sagt Shao.
Die Forscher arbeiteten außerdem mit einem Group der College of Waterloo zusammen, um ein Modell der Leistung der Again-Finish-Transistoren zu entwickeln. Dies ist ein wichtiger Schritt, bevor die Geräte in größere Schaltkreise und elektronische Systeme integriert werden können.
In Zukunft wollen sie auf diesen Demonstrationen aufbauen, indem sie Again-Finish-Speichertransistoren in eine einzige Schaltung integrieren. Außerdem wollen sie die Leistung der Transistoren verbessern und untersuchen, wie sich die Eigenschaften des ferroelektrischen Hafnium-Zirkonium-Oxids genauer steuern lassen.
„Jetzt können wir eine Plattform vielseitiger Elektronik auf dem Backend eines Chips aufbauen, die es uns ermöglicht, eine hohe Energieeffizienz und viele verschiedene Funktionalitäten in sehr kleinen Geräten zu erreichen. Wir haben eine gute Gerätearchitektur und Materialien, mit denen wir arbeiten können, aber wir müssen weiter innovativ sein, um die ultimativen Leistungsgrenzen aufzudecken“, sagt Shao.
Diese Arbeit wird teilweise von Semiconductor Analysis Company (SRC) und Intel unterstützt. Die Herstellung erfolgte in den MIT Microsystems Know-how Laboratories und MIT.nano-Einrichtungen.