Beyond Moores Law:At tage transistorarrays ind i den tredje dimension

Silicium integrerede kredsløb, som bruges i computerprocessorer, nærmer sig den maksimalt mulige tæthed af transistorer på en enkelt chip - i det mindste, i todimensionelle arrays.

Nu, et team af ingeniører ved University of Michigan har stablet et andet lag transistorer direkte oven på en avanceret siliciumchip.

De foreslår, at deres design kunne fjerne behovet for en anden chip, der konverterer mellem høj- og lavspændingssignaler, som i øjeblikket står mellem lavspændingsbehandlingschips og højspændingsbrugergrænseflader.

"Vores tilgang kan opnå bedre ydeevne i en mindre, lettere pakke, " sagde Becky Peterson, en lektor i elektroteknik og datalogi og projektleder.

Moores lov siger, at computerkraften pr. dollar fordobles omtrent hvert andet år. Da siliciumtransistorer er krympet i størrelse for at blive mere overkommelige og strømeffektive, de spændinger, de opererer ved, er også faldet.

Højere spændinger ville skade de stadigt mindre transistorer. På grund af dette, state-of-the-art behandlingschips er ikke kompatible med højspændingsbrugergrænsefladekomponenter, såsom touchpads og skærmdrivere. Disse skal køre ved højere spændinger for at undgå effekter såsom falske berøringssignaler eller for lave lysstyrkeindstillinger.

"For at løse dette problem, vi integrerer forskellige typer enheder med siliciumkredsløb i 3-D, og disse enheder giver dig mulighed for at gøre ting, som siliciumtransistorerne ikke kan, " sagde Peterson.

Fordi det andet lag af transistorer kan håndtere højere spændinger, de giver i det væsentlige hver siliciumtransistor sin egen fortolker til at tale med omverdenen. Dette kommer uden om den nuværende afvejning med at bruge state-of-the-art processorer med en ekstra chip til at konvertere signaler mellem processoren og interfaceenheder - eller bruge en lavere kvalitet processor, der kører ved en højere spænding.

"Dette muliggør en mere kompakt chip med mere funktionalitet end hvad der er muligt med kun silicium, " sagde Youngbae Son, artiklens første forfatter og nyuddannet doktorgrad i elektro- og computerteknik ved U-M.

Petersons team klarede dette ved at bruge en anden slags halvleder, kendt som et amorft metaloxid. For at påføre dette halvlederlag på siliciumchippen uden at beskadige den, de dækkede chippen med en opløsning indeholdende zink og tin og centrifugerede den for at skabe en jævn pels.

Næste, de bagte chippen kort for at tørre den. De gentog denne proces for at lave et lag zink-tin-oxid omkring 75 nanometer tykt - omkring en tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Under en sidste bagning, metaller bundet til ilt i luften, skabe et lag af zink-tin-oxid.

Holdet brugte zink-tin-oxid-filmen til at lave tyndfilmstransistorer. Disse transistorer kunne håndtere højere spændinger end siliciumet nedenunder. Derefter, holdet testede den underliggende siliciumchip og bekræftede, at den stadig virkede.

For at lave nyttige kredsløb med siliciumchippen, de zink-tin-oxid-transistorer, der er nødvendige for fuldt ud at kommunikere med de underliggende siliciumtransistorer. Holdet opnåede dette ved at tilføje yderligere to kredsløbselementer ved hjælp af zink-tin-oxid:en lodret tyndfilmdiode og en Schottky-gated transistor.

De to slags zink-tin-oxid-transistorer er forbundet til en inverter, konvertering mellem den lave spænding, der bruges af siliciumchippen, og de højere spændinger, der bruges af andre komponenter. Dioderne blev brugt til at konvertere trådløse signaler til brugbar jævnstrøm til siliciumtransistorerne.

Disse demonstrationer baner vejen mod integrerede siliciumkredsløb, der går ud over Moores lov, at bringe de analoge og digitale fordele ved oxidelektronik til individuelle siliciumtransistorer.