使用不同於矽的二維材料，MIT 科學家成功培育高層 3D 晶片

電子業在電腦晶片表面可容納的電晶體數量已接近極限，晶片製造商正探索向上發展的新方向。與其將越來越小的電晶體擠在單一表面上，業界目標是堆疊多層的電晶體與半導體元件，如同將平房變成高樓大廈。這種多層晶片可處理比現今電子產品多出數倍的資料，執行許多更複雜的功能。

然而，一個關鍵挑戰是現有晶片製造平台。目前依賴的矽晶圓相當厚重，但這是生長高品質單晶半導體元件的主要基板。任何可堆疊晶片中，每一層都需要一層厚重的矽基板作為支撐，這會延後功能層之間的訊號傳遞並降低通訊速度。

如今，麻省理工學院（MIT）工程師提出一項創新技術，成功繞過這一限制。他們開發一種多層晶片設計，完全不需要矽晶圓基板，能在足夠低溫度下運作，有效保護底層電路的完整性。

根據刊登在《自然》（Nature）雜誌上的研究，研究團隊使用這種新方法製造一款多層晶片，在晶片上直接交替生長多層高品質的半導體材料。

這種方法可讓工程師在任何隨機晶面上製造高性能電晶體、記憶體和邏輯元件，不僅限於矽晶圓這類笨重的晶體基板上。研究人員指出，沒有這些厚重的矽基板，多層的半導體層可實現更直接的接觸，提升層與層之間更快的通訊和運算。

研究人員預期，這種方法可打造 AI 硬體，以堆疊晶片的形式應用於筆電或穿戴式設備中，這些設備速度與效能不亞於今日的超級電腦，並能儲存與實體資料中心相近的大量資料。

研究報告作者、麻省理工學院機械工程系副教授 Jeehwan Kim 表示，這項突破為半導體業開啟巨大潛力，讓晶片的堆疊不受傳統限制，有望為人工智慧、邏輯和記憶體應用的運算能力帶來幾個數量級的改善。

二維材料有助於製造更小、更高效的電晶體

Kim 研究團隊於 2023 年報告指出，他們開發一種在非晶體表面生長高品質半導體材料的方法，與成品晶片上的半導體電路形貌相當類似。他們使用二維材料 TMD（Transition Metal Dichalcogenides，過渡金屬二鹵化物）做為生長材料，這被認為是矽的後繼材料，有望製造出更小、更高效能的電晶體。

TMD 這種二維材料即使在小到單一原子的尺度上也能保持半導體特性，矽的性能則會急劇下滑。

在前期研究中，團隊成功在矽晶圓上生長 TMD，但溫度在約攝氏 900 度時才能成功運作。研究人員必須將溫度降低至攝氏 400 度以下生長這種單晶材料，否則底層電路將完全被煮熟、毀掉。最後該團隊在製作方法中加入冶金學的概念作為解決方案。

Kim 指出，該技術實現的產品不僅是 3D 邏輯晶片，也包括 3D 記憶體及其組合。「使用基於生長的單片 3D 方法，可生長出數十到數百個邏輯和記憶體層，就在彼此的上面，且它們能很好溝通」；另位第一作者 Kiseok Kim 表示，傳統 3D 晶片都是在矽晶圓中間鑽孔製造，這限制堆疊層數、垂直排列解析度和良率，而團隊方法能一次解決所有問題。