Eletrônica 3D: Como construir um chip em cima de outro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/12/2019

O processador comercial usado como base continuou funcionando perfeitamente após a deposição da segunda camada de circuitos.
[Imagem: Youngbae Son/Rose Anderson/Peterson Lab]

Eletrônica 3D

Os circuitos integrados de silício, como os processadores de computador, estão se aproximando da densidade máxima viável de transistores, por isso qualquer nova ideia é bem-vinda.

Como esses chips atuais são tipicamente bidimensionais, com os transistores fabricados sobre uma placa plana de silício, há tempos se vem trabalhando com componentes tridimensionais, como os transistores 3D e até transistores 4D.

Isso tem ajudado, mas as técnicas de fabricação são complicadas e caras, e não se aplicam a todos os componentes eletrônicos.

Para contornar esses inconvenientes, Youngbae Son e colegas da Universidade Michigan, nos EUA, criaram uma tecnologia muito mais simples: Usar a mesma tecnologia atual para empilhar uma segunda camada de transistores diretamente em cima de um circuito integrado já pronto, criando não componentes 3D, mas uma "eletrônica 3D".

Eles conseguiram isso usando um tipo diferente de semicondutor, conhecido como óxido de metal amorfo. Para aplicar essa camada de semicondutor ao chip de silício sem danificá-lo, eles cobriram o chip com uma solução contendo zinco e estanho e o giraram para criar uma camada uniforme.

Depois que essa camada secou em um forno, o processo foi repetido para formar uma camada de óxido de zinco-estanho com cerca de 75 nanômetros de espessura. Durante o aquecimento final, os metais se ligaram ao oxigênio no ar, criando uma camada de óxido de zinco-estanho, que foi usada para criar os transistores por litografia tradicional.

Esses transistores suportam tensões mais altas do que os transistores de silício abaixo.

Componentes à base de óxidos também podem funcionar em modo analógico, abrindo caminho para processadores neuromórficos.
[Imagem: Youngbae Son et al. - 10.1038/s41928-019-0316-0]

Integração monolítica

Embora também não possa ser aplicado em todos os casos, esse design permite eliminar a necessidade de um segundo chip para converter entre sinais de alta e baixa tensão, que atualmente fica entre os chips de processamento, de baixa tensão, e as interfaces de usuário, de alta tensão.

Tensões mais altas poderiam danificar os transistores cada vez menores, o que fez com que os chips de processamento de última geração não sejam mais compatíveis com os componentes de interface de usuário de alta voltagem, que precisam funcionar com tensões mais altas para evitar efeitos como sinais de toque falsos ou configurações de brilho muito baixas em monitores.

Como a segunda camada de transistores pode suportar tensões mais altas, eles essencialmente dão a cada transístor de silício seu próprio intérprete para conversar com o mundo exterior. Isso evita a custo atual de usar processadores de última geração com um chip extra para converter sinais entre o processador e os dispositivos de interface - ou usar um processador de nível inferior que roda com uma voltagem mais alta.

Segundo a equipe, seus protótipos abrem caminho para circuitos integrados de silício que vão além da Lei de Moore, trazendo as vantagens analógicas e digitais da eletrônica de óxidos para os chips de silício de última geração.

Bibliografia:

Artigo: Monolithic integration of high-voltage thin-film electronics on low-voltage integrated circuits using a solution process
Autores: Youngbae Son, Brad Frost, Yunkai Zhao, Rebecca L. Peterson
Revista: Nature Electronics
Vol.: 2, pages 540-548

DOI: 10.1038/s41928-019-0316-0                                                                                                                       CP2