MIT研发新半导体制造技术：3D芯片无需硅晶圆，实现“长高”

摘要：计算机芯片的晶体管密度正逐渐逼近物理学的极限边缘，传统的制造方法已经难以在芯片那微小的表面上继续添加更多的晶体管。面对这一困境，芯片制造商们开始将探索的目光投向了一个全新的维度——垂直叠加，不再仅仅局限于二维平面的扩展，而是向三维空间寻求突破。

计算机芯片的晶体管密度正逐渐逼近物理学的极限边缘，传统的制造方法已经难以在芯片那微小的表面上继续添加更多的晶体管。面对这一困境，芯片制造商们开始将探索的目光投向了一个全新的维度——垂直叠加，不再仅仅局限于二维平面的扩展，而是向三维空间寻求突破。

这种转变犹如将低矮的平房升级为高耸入云的摩天大楼，通过将晶体管和半导体元件层层叠加，打造出多层结构的芯片。这种创新的设计不仅能够处理远超现有电子设备所能承载的数据量，还能够支持更为复杂多样的功能，为未来的信息技术发展开辟出无限可能。

然而，在追求多层芯片制造的道路上，一个关键的挑战摆在了人们的面前——芯片的构建平台。长久以来，笨重的硅晶圆一直是制造高质量单晶半导体元件的首选基底。但在传统的架构下，每一层都需要一块厚厚的硅“地板”来支撑，这不仅增加了芯片的体积和重量，更会降低功能性半导体层之间的通信速度，成为制约多层芯片性能提升的一大瓶颈。

为了打破这一瓶颈，MIT的工程师们开发出了一种无需硅晶圆基底的全新多层芯片制造技术。这项革命性的技术能够在低温条件下完成制造过程，有效地保护了底层电路的完整性，同时突破了传统硅基底所带来的种种限制。目前，这项令人瞩目的研究成果已经成功发表在国际权威期刊《Nature》上，引起了广泛的关注和赞誉。

研究团队向世人展示了一种采用高质量半导体材料直接堆叠而成的多层芯片原型。这项技术使得工程师们能够在任意晶体表面上制造出高性能的晶体管、存储器和逻辑元件，彻底摆脱了传统硅晶圆基底的束缚。没有了那些厚重的硅层阻碍，各半导体层之间的接触变得更加紧密无间，从而极大地提升了层间通信的效率和整体计算的速度。

研究人员们预计，这项技术的出现将在AI硬件领域掀起一场革命性的突破。例如，通过设计出堆叠芯片，可以将其应用于笔记本电脑或可穿戴设备中，使其性能能够与当前的超级计算机相媲美，同时拥有堪比物理数据中心的数据存储能力。这将为人工智能、大数据处理等领域的发展提供强有力的支持。

“这一突破性的成果为半导体行业开辟了新的发展方向，使得芯片堆叠技术不再受到传统框架的束缚。”研究负责人、MIT机械工程系副教授Jeehwan Kim激动地表示，“我们有理由相信，这项技术将显著提升AI计算、逻辑运算以及存储设备的性能，为未来的信息技术发展注入新的活力。”

除了MIT团队的主导外，这项研究还汇聚了众多国际知名学者和机构的智慧与力量。作者名单中包括了Ki Seok Kim、Seunghwan Seo、Doyoon Lee、Jung-El Ryu、Jekyung Kim、Jun Min Suh、June-chul Shin、Min-Kyu Song、Jin Feng和Sangho Lee等杰出的科研人员。此外，还有来自三星高级研究院、韩国成均馆大学以及美国德克萨斯大学达拉斯分校的多位合作者共同参与其中，共同为这项技术的诞生和发展贡献了自己的力量。

展望未来，随着这项技术的不断成熟和完善，我们有理由相信，它将引领半导体行业迈向一个全新的发展阶段。多层芯片将成为未来信息技术领域的重要基石，为人类的科技进步和社会发展注入源源不断的动力。

种子囊技术：重塑农业生产的未来格局

2023年，Kim的研究团队在半导体材料科学领域取得了重大突破，他们成功研发出一种在复杂非晶表面上培育高质量半导体材料的前沿技术。这些非晶表面宛如芯片半导体电路中错综复杂的微缩地貌，为半导体材料的生长提供了全新的挑战与机遇。这项技术的核心在于利用过渡金属二硫化物（TMDs）——一种备受瞩目的二维材料，它被视为未来制造更小、更高效晶体管的潜在“硅接班人”。

TMDs材料以其独特的性质在微纳尺度上展现出非凡的半导体特性，即便是在单原子级别的微小尺度下，仍能保持良好的半导体性能，而传统的硅材料在这一尺度下性能会显著衰退。这一特性使得TMDs成为探索更小、更快、更节能电子设备的理想选择。

在此之前，Kim团队已经在涂覆有非晶涂层的硅晶圆以及现有的TMDs表面上成功培育出了TMDs材料。然而，要实现原子级别的精确排列，形成高质量的单晶结构，而非杂乱无章的多晶结构，是一项极为艰巨的任务。Kim及其团队巧妙地采用了一种创新的策略：他们首先在硅晶圆上覆盖了一层极薄的二氧化硅薄膜，作为精密的“掩膜”，并在这层掩膜上精心设计了微小的开口，这些开口宛如“种子囊”，为TMDs的生长提供了精准的起点。

随后，研究团队将气态原子流引入这些精心设计的掩膜之中，奇迹般地，原子们仿佛被赋予了生命，它们有序地沉积在这些开口中，形成了“种子”。这些种子囊就像精心培育的温室，将原子限制在规则的单晶图案中，引导它们按照预定的方式生长。这一发现不仅为TMDs材料的生长提供了新的思路，也为未来半导体材料的定制化生长开辟了新的道路。

然而，这项技术的早期版本存在一个显著的局限性：它只能在约900摄氏度的高温环境下进行。这对于半导体制造来说是一个巨大的挑战，因为如此高的温度会彻底破坏底层的电路结构。“我们的目标是在低于400摄氏度的条件下实现这种单晶材料的生长，这是保护底层电路完整性的关键。”Kim强调道，“这是一项极具挑战性的任务，但如果我们能成功实现，其影响将是深远且巨大的。”

为了实现这一目标，Kim团队进行了无数次的实验与优化，终于开发出了一种全新的低温生长技术。这项新技术不仅将生长温度降低到了安全的范围内，还保持了TMDs材料的高质量单晶特性。这一突破性的进展不仅为TMDs材料的广泛应用奠定了坚实的基础，也为半导体材料科学的发展注入了新的活力。

展望未来，Kim团队相信，随着这项技术的不断成熟和完善，它将在半导体制造、电子器件设计以及新材料开发等领域发挥越来越重要的作用。他们期待着这项创新技术能够引领半导体材料科学迈向一个全新的发展阶段，为人类社会的科技进步和可持续发展贡献更多的力量。同时，他们也相信，在不久的将来，TMDs材料将以其独特的性能和优势，成为半导体材料领域的璀璨明星，为人类社会带来前所未有的变革与机遇。

垂直构建技术：实现前所未有的创新突破

在最新的科研探索中，Kim团队取得了一项令人瞩目的成就——他们成功研发出一种创新的低温生长单晶二维材料的方法，为半导体制造领域带来了革命性的进展。这一突破性技术不仅为保护底层电路免受高温破坏提供了有效的解决方案，还极大地推动了下一代人工智能硬件的开发进程。

Kim团队从金属冶金学中汲取灵感，巧妙地将成核原理应用于二维材料的生长过程中。冶金学家在模具边缘观察到的成核现象，即液态金属在模具边缘因所需热量和能量较少而更易形成规则的晶粒结构，为Kim团队的研究提供了宝贵的启示。Kim解释道：“在冶金学中，边缘成核是一个众所周知的现象，它更为容易且高效。我们将这一概念引入到半导体材料的生长中，试图在低温条件下实现单晶二维材料的制备。”

为了验证这一想法，Kim团队在已有的晶体管电路的硅晶圆上进行了精心设计的实验。他们首先在硅晶圆上覆盖了一层薄薄的二氧化硅掩膜，然后在每个精心设计的“种子囊”边缘精确地沉积了TMD（过渡金属二硫化物）种子。令人惊喜的是，这些种子在最低仅380摄氏度的条件下，就能够成功生长为高质量的单晶材料。相比之下，位于种子囊中心的种子则需要更高的温度才能完成单晶生长。这一发现不仅证实了边缘成核在二维材料生长中的有效性，还为低温制造二维材料开辟了全新的道路。

在此基础上，Kim团队进一步探索了多层芯片的制造可能性。他们利用这一低温生长技术，成功制造出了一个多层芯片原型。在这个原型中，每层材料都交替使用了两种TMD材料：二硫化钼（MoS₂）和二硒化钨（WSe₂）。其中，二硫化钼适用于n型晶体管，而二硒化钨则适用于p型晶体管。这两种晶体管是逻辑运算的基本组成部分，它们的结合使得现代逻辑电路的基础单元——CMOS（互补金属氧化物半导体）的半导体元件密度得以翻倍。

Kim自豪地表示：“我们的技术不仅能够实现3D逻辑芯片，还能够将3D存储器与之完美结合。通过这种单片3D生长方法，我们理论上可以在同一芯片上堆叠数十甚至上百层逻辑和存储层，并实现出色的层间通信性能。这将为未来的高性能计算、人工智能和物联网等领域带来前所未有的发展机遇。”

论文第一作者Kiseok Kim进一步强调了这一技术的独特优势：“传统的3D芯片制造方法需要在硅晶圆之间打孔连接，这种工艺不仅复杂而且限制了堆叠层数、垂直对齐精度和产量。而我们的基于生长的技术则一次性解决了这些问题，为3D芯片的制造提供了更为简单、高效和可靠的解决方案。”

为了推动这一技术的商业化应用，Kim近期创立了一家名为“Future Semiconductor 2D materials”的公司。该公司致力于将这一可堆叠芯片设计技术产业化，为半导体行业注入新的活力。Kim补充道：“目前，我们已在小型设备阵列中验证了这一概念。接下来的目标是扩大规模，展示这一技术在专业级AI芯片中的应用潜力。我们相信，随着技术的不断成熟和完善，它将为人工智能、大数据处理等领域的发展提供强有力的支持。”

这项研究不仅凝聚了Kim团队的心血和智慧，还得到了三星高级研究院和美国空军科学研究办公室的部分资助。这些支持为研究的顺利进行提供了有力的保障，也为未来的深入探索奠定了坚实的基础。Kim团队表示，他们将继续致力于半导体材料科学的研究和创新，为人类社会的进步和发展贡献更多的智慧和力量。