虽然手机和电脑等电子设备内部的微芯片非常小，但晶体管——微芯片内部的微小电气开关——正在接近原子水平。如今的微芯片在针头大小的区域内封装了超过 1 亿个晶体管。
阿贡高级科学家阿尼尔·马内（Anil Mane）在背景中使用仪器拿着一个300毫米的硅晶圆，该硅晶圆被原子层沉积所覆盖。图片：阿贡国家实验室。
尽管它们的尺寸几乎难以想象，但这种微电子设备的总数消耗了大量的能量，并且呈指数级增长。预测表明，到 2030 年，全球 20% 的能源可能被微电子消耗。
要避免这场危机，就必须开发新的晶体管、材料和制造工艺，以制造超低能耗的微芯片。最近，美国能源部（DOE）授予美国能源部阿贡国家实验室400万美元，用于资助使用原子层沉积（ALD）的研究，以推进新材料和设备，以制造微芯片，其能耗比现有芯片低50倍。
该项目将于 2024 年初启动，将持续两年半，由美国能源部先进材料和制造技术办公室的二十年节能扩展 （EES2） 计划资助。阿贡将与斯坦福大学、西北大学和博伊西州立大学合作开展该项目。阿贡杰出研究员杰弗里·埃拉姆（Jeffrey Elam）将领导研究团队，他创立并指导了阿贡开创性的原子层沉积研究项目。
“直到最近，微电子才开始使用地球电力的很大一部分，”埃拉姆说。“这是一个紧迫的问题。美国能源部致力于寻找节能解决方案，以拉平微电子用电的需求曲线。
包括人工智能 （AI） 爆炸式增长在内的先进技术正在加快能源在计算中的使用速度。AI 应用程序分析大量数据并消耗大量电力。随着人工智能的普及，为这些应用程序提供动力的巨大数据中心将面临显着的能源增长。“智能”设备的激增及其数据需求也增加了用电量。
“如今，计算机花费了超过90%的精力在内存和逻辑功能之间来回穿梭数据，这些功能存在于单独的芯片上，”Elam说。“这种限制被称为'冯·诺依曼瓶颈'。用于移动数据的能量被浪费为热量。随着计算需求的增长，我们必须开发低功耗晶体管和微芯片来克服这一瓶颈并防止能源危机。
该项目源于阿贡的实验室指导研究与开发计划活动和由美国能源部科学办公室资助的项目。Threadwork 是一项研究计划，它应用协同设计来开发神经形态器件和太赫兹互连，从而为高能物理和核物理提供高性能探测器。
使用原子层沉积重新设计微芯片
Argonne是ALD的先驱，ALD是一种广泛用于微电子制造的薄膜沉积技术。原子层沉积可产生极薄的层 - 只有一个原子厚 - 以高精度制造微电子。这些薄膜被认为是 2D 的，因为它们有长度和宽度，但基本上没有厚度。ALD可以在复杂的3D基板上制备各种薄膜。
“原子层沉积是制造超低功耗电子器件的理想技术，”从事原子层沉积研究20多年的Elam说。这使得原子层沉积在锂离子电池、太阳能电池、催化剂和探测器等用途中具有吸引力。
在这个项目中，阿贡的科学家将使用ALD来重新设计微芯片，并消除数据的来回洗牌。科学家们希望缩小微处理器或“大脑”与存储芯片之间的差距。3D集成电路可以将存储器和逻辑层堆叠在一起，就像煎饼一样。这有可能减少 90% 的能源使用。
目前，硅是用于制造存储芯片和微处理器的半导体材料，但堆叠层所需的 3D 集成极难用硅实现。半导体控制电流。
为了克服这一限制，研究人员正在开发一种替代的二维半导体材料二硫化钼（MoS2）来取代硅。在先前研究的基础上，阿贡的科学家们正在使用原子层沉积技术来制造原子级精确的二硫化钼薄膜。“我们可以制造出极薄的 2D MoS2 片材。这些薄片将取代当今晶体管中使用的笨重的3D硅薄膜。这在微芯片上留下了更多空间，可以有效地将存储器和逻辑堆叠在一起，从而大大降低能耗，“Elam说。
新型电子设备提高能源效率
Argonne与博伊西州立大学合作，开发了用于创建2D MoS2薄膜的ALD方法。该团队将演示如何使用 MoS2 创建可以堆叠 3D 的 2D 半导体场效应晶体管 （2D-FET）。 FET 是传统的晶体管，但基于 2D 而不是 3D 材料。这种方法允许集成硅无法实现的存储器和逻辑功能。
与此同时，阿贡的科学家们正在演示ALD MoS2在内存晶体管中的应用，内存晶体管是用于构建神经形态电路的电子元件。神经形态回路模仿大脑中神经元之间的连接，以创建使用更少能量的微芯片。这项技术相对较新。但与传统的硅器件相比，神经形态电路有可能使用更少的能量一百万倍。
2D-FET和忆阻传输器都已通过在高温下生长MoS2在实验室规模上成功得到证明。阿贡的科学家们希望将这项技术提升到一个新的水平。商业制造将要求在低温下将二硫化钼沉积在比萨饼大小的大型晶圆上。在这个DOE项目中，研究团队将开发这些能力，以确保MoS2 ALD与当前的半导体制造工艺兼容。这对于加速将该技术集成到未来半导体中至关重要。
合作机构的科学家将利用他们独特的专业知识来推进该项目的特定领域。斯坦福大学的 Eric Pop 教授将开发 2D-FET 器件，西北大学的 Mark Hersam 教授将开发利用 ALD MoS2 的内存晶体管，博伊西州立大学的 Elton Graugnard 教授将对 ALD MoS2 涂层进行高级表征，以评估材料质量。
在进行实验工作的同时，Argonne正在使用建模和仿真来设计包含ALD MoS2的节能设备。这项工作将利用位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施Argonne Leadership Computing Facility的高性能计算机来建模和模拟集成2D材料的电路。这些计算机将测量节能情况，并将其性能与当前的硅技术进行比较。研究人员试图将堆叠设备推向中试规模的演示，目的是将它们推向微电子行业的商业用途。该项目是Argonne不断增长的研发组合的一个新方面，该组合使用ALD技术来解决各种能源挑战。
Argonne团队还包括物理学家Moinuddin Ahmed，首席材料科学家Angel Yanguas-Gil，计算机科学家Xingfu Wu，助理计算机科学家Sandeep Madireddy和高级材料科学家Anil Mane。该项目建立在Argonne的广泛工作之上，推动了创造下一代微电子的科学和技术。随着节能微电子和架构的创新，科学家们正在开发节能和环保的微电子制造新方法。
关于ALCF和阿贡国家实验室
Argonne Leadership Computing Facility （ALCF） 为科学和工程界提供超级计算能力，以推进广泛学科的基础发现和理解。在美国能源部 （DOE） 科学办公室、高级科学计算研究 （ASCR） 计划的支持下，ALCF 是美国两个致力于开放科学的 DOE 领导计算设施之一。
阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题的解决方案。作为美国第一个国家实验室，阿贡在几乎所有科学学科中都开展了领先的基础和应用科学研究。阿贡大学的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，帮助他们解决具体问题，提升美国的科学领导力，并为国家创造更美好的未来做好准备。Argonne 的员工来自 60 多个国家，由美国能源部科学办公室的 UChicago Argonne， LLC 管理。