Forscher am MIT haben ein neues Material entwickelt, dass es möglich macht, zuvor getrennte Komponenten wie Logikgatter und Speicher auf einer Grundplatine übereinander zu stapeln. Das verkürzt den Weg für die Daten, spart dadurch Strom und Zeit.
Traditionellerweise haben Computerchips zwei Seiten: Ein Frontend, das die aktiven Komponenten wie Transistoren oder Kondensatoren enthält, und ein Backend, das durch Metallverbindungen (Interconnects) die Verbindung zur Außenwelt herstellt. Wenn Daten zwischen den Chips über diese Verbindungen transportiert werden müssen, kostet das Energie und Zeit und ist eine Fehlerquelle. Im Fall gestapelter Chips verkürzen sich Weg und Zeit.
Bislang war es allerdings schwierig, einen solchen Stack aus Komponenten herzustellen, weil das Erzeugen neuer Komponenten auf der Frontseite eines CMOS-Chips hohe Temperaturen erforderte, die die darunterliegenden Transistoren wieder zerstört hätten. Die MIT-Forscher haben dieses Problem auf den Kopf gestellt und stattdessen eine Integrationstechnik entwickelt, mit der aktive Komponenten auf der Rückseite des Chips gestapelt werden können. Sie erreichten dies durch die Verwendung eines neuen Materials, amorphem Indiumoxid, als aktive Kanalschicht ihres Back-End-Transistors. Die aktive Kanalschicht ist der Ort, an dem die wesentlichen Funktionen des Transistors stattfinden. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Indiumoxid können sie eine extrem dünne Schicht dieses Materials bei einer Temperatur von nur etwa 150 Grad Celsius auf der Rückseite einer bestehenden Schaltung wachsen lassen, ohne die Teile auf der Vorderseite zu beschädigen.
Die Forscher konnten den Fertigungsprozess optimieren, sodass eine nur 2 Nanometer dicke Indiumoxidschicht entsteht. Darauf aufbauend schufen sie auch Backend-Transistoren mit Speicherfunktion, die nur 20 Nanometer dick sind. Als Speicherkomponente dient dabei eine weitere Lage aus ferroelektrischem Hafnium-Zirkonium-Oxid.
“Jetzt können wir auf der Rückseite eines Chips eine Plattform mit vielseitiger Elektronik aufbauen, die es uns ermöglicht, eine hohe Energieeffizienz und viele verschiedene Funktionen in sehr kleinen Geräten zu erreichen. Wir haben eine gute Gerätearchitektur und gute Materialien, mit denen wir arbeiten können, aber wir müssen weiter innovativ sein, um die ultimativen Leistungsgrenzen zu entdecken”, sagt Yanjie Shao, Postdoktorand am MIT und Hauptautor von zwei Artikeln über diese neuen Transistoren.
