La Ley de Moore, un principio de escala fundamental para los dispositivos electrónicos, pronostica que el número de transistores en un chip se duplicará cada dos años, lo que garantizará una mayor potencia informática, pero existe un límite.

Los chips más avanzados de la actualidad albergan casi 50 mil millones de transistores en un espacio no mayor que la uña del pulgar.Según investigadores de Penn State, la tarea de meter aún más transistores en esa área confinada se ha vuelto cada vez más difícil.

Enun estudiopublicado enNaturaleza, Saptarshi Das, profesor asociado de ciencias de la ingeniería y mecánica y coautor correspondiente del estudio, y su equipo sugieren una solución: implementar sin problemas la integración 3D con materiales 2D.

En el mundo de los semiconductores, la integración 3D significa apilar verticalmente múltiples capas de dispositivos semiconductores.Este enfoque no sólo facilita el empaquetado de más transistores basados ​​en silicio en un chip de computadora, comúnmente conocido como "More Moore", sino que también permite el uso de transistores hechos de materiales 2D para incorporar diversas funcionalidades dentro de varias capas de la pila, unaconcepto conocido como "Más que Moore".

Con el trabajo descrito en el estudio, Saptarshi y el equipo demuestran caminos factibles más allá de escalar la tecnología actual para lograr Más Moore y Más que Moore a través de la integración monolítica 3D.La integración monolítica 3D es unaproceso de fabricaciónen el que los investigadores fabrican directamente los dispositivos en el de abajo, en comparación con el proceso tradicional de apilar capas fabricadas de forma independiente.

"La integración 3D monolítica ofrece la mayor densidad de conexiones verticales, ya que no depende de la unión de dos chips prediseñados, lo que requeriría microprotuberancias donde dos chips se unen, por lo que tienes más espacio para hacer conexiones", dijo Najam.Sakib, asistente de investigación graduado en ciencias de la ingeniería y mecánica y coautor del estudio.

Sin embargo, la integración monolítica 3D enfrenta desafíos importantes, según Darsith Jayachandran, asistente de investigación graduado en ciencias de la ingeniería y mecánica y coautor correspondiente del estudio, ya que los componentes de silicio convencionales se derretirían bajo las temperaturas de procesamiento.

"Un desafío es el techo de temperatura del proceso de 450 grados Celsius (C) para la integración de back-end para chips basados ​​en silicio; nuestro enfoque de integración 3D monolítica reduce esa temperatura significativamente a menos de 200 C", dijo Jayachandran, explicando que el procesoLa temperatura del techo es la temperatura máxima permitida antes de dañar las estructuras prefabricadas."Los presupuestos de temperatura de proceso incompatibles hacen que la integración 3D monolítica sea un desafío con chips de silicio, pero los materiales 2D pueden soportar las temperaturas necesarias para el proceso".

Los investigadores utilizaron técnicas existentes para su enfoque, pero son los primeros en lograr con éxito una integración 3D monolítica a esta escala utilizando transistores 2D fabricados con semiconductores 2D llamadosdicalcogenuros de metales de transición.

La capacidad de apilar verticalmente los dispositivos en integración 3D también permitió una computación con mayor eficiencia energética porque resolvió un problema sorprendente para cosas tan pequeñas como los transistores en un chip de computadora: la distancia.

"Al apilar dispositivos verticalmente uno encima del otro, se reduce la distancia entre los dispositivos y, por lo tanto, se disminuye el retraso y también el consumo de energía", dijo Rahul Pendurthi, asistente de investigación graduado en ciencias de la ingeniería y mecánica y co-autor correspondiente del estudio.

Al disminuir la distancia entre dispositivos, los investigadores lograron "Más Moore".Al incorporar transistores fabricados con materiales 2D, los investigadores también cumplieron el criterio "Más que Moore".Los materiales 2D son conocidos por sus propiedades electrónicas y ópticas únicas, incluida la sensibilidad a la luz, lo que los hace ideales como sensores.Esto es útil, dijeron los investigadores, ya que la cantidad de dispositivos conectados y dispositivos de borde (como teléfonos inteligentes o estaciones meteorológicas domésticas inalámbricas que recopilan datos en el "borde" de una red) continúa aumentando.

"'Más que Moore' se refiere a un concepto en el mundo de la tecnología en el que no sólo estamos fabricando chips de computadora más pequeños y más rápidos, sino también con más funcionalidades", dijo Muhtasim Ul Karim Sadaf, asistente de investigación graduado en ciencias de la ingeniería y mecánica y co-autor del estudio."Se trata de agregar funciones nuevas y útiles a nuestradispositivos electronicos, como mejores sensores, una mejor gestión de la batería u otras funciones especiales, para hacer que nuestros dispositivos sean más inteligentes y versátiles".

El uso de dispositivos 2D para la integración 3D tiene otras ventajas, dijeron los investigadores.Uno es la movilidad superior del portador, que se refiere a cómo se transporta una carga eléctrica en los materiales semiconductores.Otra es ser ultradelgada, lo que permite a los investigadores colocar más transistores en cada nivel de la integración 3D y permitir más potencia informática.

Si bien la mayoría de las investigaciones académicas involucran prototipos a pequeña escala, este estudio demostró la integración 3D a un nivelescala masiva, que caracteriza a decenas de miles de dispositivos.Según Das, este logro cierra la brecha entre la academia y la industria.El avance en el escalamiento fue posible gracias a la disponibilidad de dicalcogenuros de metales de transición a escala de oblea de alta calidad desarrollados por investigadores del Consorcio de Cristales Bidimensionales de Penn State (2DCC-MIP), una Plataforma de Innovación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de EE. UU. y una plataforma nacional.facilidad del usuario.

"Este avance demuestra una vez más el papel esencial de la investigación de materiales como base de la industria de semiconductores y de la competitividad de Estados Unidos", afirmó Charles Ying, director del programa de Plataformas de Innovación de Materiales de NSF."Años de esfuerzo por parte del Two-Dimensional Crystal Consortium de Penn State para mejorar la calidad y el tamaño de los materiales 2D han hecho posible lograr 3Dintegraciónde semiconductores en un tamaño que puede ser transformador para la electrónica".

Según Das, este avance tecnológico es sólo el primer paso.

"Nuestra capacidad para demostrar, a escala de oblea, un gran número de dispositivos demuestra que hemos podido trasladar esta investigación a una escala que puede ser apreciada por la industria de los semiconductores", afirmó Das."Hemos colocado 30.000 transistores en cada nivel, lo que puede ser un número récord. Esto coloca a Penn State en una posición única para liderar parte del trabajo y asociarse con la industria de semiconductores de EE. UU. para avanzar en esta investigación".