Circuits intégrés au silicium, qui sont utilisés dans les processeurs informatiques, approchent de la densité maximale possible de transistors sur une seule puce - au moins, dans des tableaux à deux dimensions.

Maintenant, une équipe d'ingénieurs de l'Université du Michigan a empilé une deuxième couche de transistors directement sur une puce de silicium de pointe.

Ils proposent que leur conception pourrait éliminer le besoin d'une deuxième puce qui convertit entre les signaux haute et basse tension, qui se situe actuellement entre les puces de traitement basse tension et les interfaces utilisateur haute tension.

« Notre approche permet d'obtenir de meilleures performances dans un paquet plus léger, " a déclaré Becky Peterson, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique et chef de projet.

La loi de Moore soutient que la puissance de calcul par dollar double environ tous les deux ans. Comme les transistors au silicium ont diminué en taille pour devenir plus abordables et plus économes en énergie, les tensions auxquelles ils fonctionnent ont également baissé.

Des tensions plus élevées endommageraient les transistors de plus en plus petits. À cause de ce, les puces de traitement de pointe ne sont pas compatibles avec les composants d'interface utilisateur à plus haute tension, tels que les pavés tactiles et les pilotes d'affichage. Ceux-ci doivent fonctionner à des tensions plus élevées pour éviter des effets tels que de faux signaux tactiles ou des réglages de luminosité trop faibles.

"Pour résoudre ce problème, nous intégrons différents types d'appareils avec des circuits silicium en 3D, et ces appareils vous permettent de faire des choses que les transistors au silicium ne peuvent pas faire, ", a déclaré Peterson.

Parce que la deuxième couche de transistors peut gérer des tensions plus élevées, ils donnent essentiellement à chaque transistor au silicium son propre interprète pour parler au monde extérieur. Cela permet de contourner le compromis actuel consistant à utiliser des processeurs de pointe avec une puce supplémentaire pour convertir les signaux entre le processeur et les périphériques d'interface, ou à utiliser un processeur de qualité inférieure fonctionnant à une tension plus élevée.

"Cela permet une puce plus compacte avec plus de fonctionnalités que ce qui est possible avec uniquement du silicium, " dit Youngbae Son, le premier auteur de l'article et récent doctorat en génie électrique et informatique à l'U-M.

L'équipe de Peterson a géré cela en utilisant un autre type de semi-conducteur, connu sous le nom d'oxyde métallique amorphe. Pour appliquer cette couche semi-conductrice sur la puce de silicium sans l'endommager, ils ont recouvert la puce d'une solution contenant du zinc et de l'étain et l'ont filée pour créer une couche uniforme.

Prochain, ils ont fait cuire la puce brièvement pour la sécher. Ils ont répété ce processus pour créer une couche d'oxyde de zinc-étain d'environ 75 nanomètres d'épaisseur, soit environ un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Lors d'une cuisson finale, les métaux liés à l'oxygène de l'air, créant une couche d'oxyde de zinc-étain.

L'équipe a utilisé le film d'oxyde de zinc-étain pour fabriquer des transistors à couche mince. Ces transistors pourraient supporter des tensions plus élevées que le silicium en dessous. Puis, l'équipe a testé la puce de silicium sous-jacente et a confirmé qu'elle fonctionnait toujours.

Pour faire des circuits utiles avec la puce de silicium, les transistors zinc-oxyde d'étain nécessaires pour communiquer pleinement avec les transistors en silicium sous-jacents. L'équipe y est parvenue en ajoutant deux autres éléments de circuit utilisant l'oxyde de zinc-étain :une diode à couche mince verticale et un transistor à grille Schottky.

Les deux types de transistors zinc-étain-oxyde sont connectés ensemble pour faire un inverseur, la conversion entre la basse tension utilisée par la puce de silicium et les tensions plus élevées utilisées par d'autres composants. Les diodes ont été utilisées pour convertir les signaux sans fil en courant continu utile pour les transistors au silicium.

Ces démonstrations ouvrent la voie à des circuits intégrés en silicium qui vont au-delà de la loi de Moore, apporter les avantages analogiques et numériques de l'électronique d'oxyde aux transistors de silicium individuels.