Silicium geïntegreerde schakelingen, die worden gebruikt in computerprocessors, naderen de maximaal haalbare dichtheid van transistors op een enkele chip - tenminste, in tweedimensionale arrays.

Nutsvoorzieningen, een team van ingenieurs aan de Universiteit van Michigan heeft een tweede laag transistors direct bovenop een ultramoderne siliciumchip gestapeld.

Ze stellen voor dat hun ontwerp de behoefte aan een tweede chip die converteert tussen hoog- en laagspanningssignalen zou kunnen wegnemen, die momenteel tussen de laagspanningsverwerkingschips en de hogerspanningsgebruikersinterfaces staat.

"Onze aanpak kan betere prestaties leveren in een kleinere, lichter pakket, " zei Becky Peterson, universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en projectleider.

De wet van Moore stelt dat de rekenkracht per dollar ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Omdat siliciumtransistors in omvang zijn gekrompen om betaalbaarder en energiezuiniger te worden, de spanningen waarop ze werken zijn ook gedaald.

Hogere spanningen zouden de steeds kleinere transistoren beschadigen. Daarom, state-of-the-art verwerkingschips zijn niet compatibel met gebruikersinterfacecomponenten met een hoger voltage, zoals touchpads en beeldschermstuurprogramma's. Deze moeten op hogere spanningen werken om effecten zoals valse aanraaksignalen of te lage helderheidsinstellingen te voorkomen.

"Om dit probleem op te lossen, we integreren verschillende soorten apparaten met siliciumcircuits in 3D, en met die apparaten kun je dingen doen die de siliciumtransistors niet kunnen, ' zei Peterson.

Omdat de tweede laag transistors hogere spanningen aankan, ze geven in wezen elke siliciumtransistor zijn eigen tolk om met de buitenwereld te praten. Dit omzeilt de huidige afweging van het gebruik van ultramoderne processors met een extra chip om signalen tussen de processor en interface-apparaten om te zetten - of het gebruik van een processor van lagere kwaliteit die op een hoger voltage draait.

"Dit maakt een compactere chip mogelijk met meer functionaliteit dan mogelijk is met alleen silicium, " zei Youngbae Son, de eerste auteur van de paper en recentelijk gepromoveerd in elektrische en computertechniek aan de U-M.

Het team van Peterson slaagde hierin door een ander soort halfgeleider te gebruiken, bekend als een amorf metaaloxide. Om deze halfgeleiderlaag op de siliciumchip aan te brengen zonder deze te beschadigen, ze bedekten de chip met een oplossing die zink en tin bevat en draaiden deze om een ​​gelijkmatige laag te creëren.

Volgende, ze bakten de chip kort om hem te drogen. Ze herhaalden dit proces om een ​​laag zink-tin-oxide te maken met een dikte van ongeveer 75 nanometer, ongeveer een duizendste van de dikte van een mensenhaar. Tijdens een laatste bak, de metalen gebonden aan zuurstof in de lucht, het creëren van een laag zink-tin-oxide.

Het team gebruikte de zink-tin-oxidefilm om dunnefilmtransistors te maken. Deze transistors kunnen hogere spanningen aan dan het silicium eronder. Vervolgens, het team testte de onderliggende siliciumchip en bevestigde dat deze nog steeds werkte.

Om bruikbare circuits te maken met de siliciumchip, de zink-tin-oxide-transistors die nodig waren om volledig te communiceren met de onderliggende siliciumtransistors. Het team bereikte dit door nog twee circuitelementen toe te voegen met behulp van het zink-tin-oxide:een verticale dunnefilmdiode en een Schottky-gated transistor.

De twee soorten zink-tin-oxide-transistors zijn met elkaar verbonden om een ​​omvormer te maken, converteren tussen de lage spanning die wordt gebruikt door de siliciumchip en de hogere spanningen die door andere componenten worden gebruikt. De diodes werden gebruikt om draadloze signalen om te zetten in bruikbare gelijkstroom voor de siliciumtransistors.

Deze demonstraties effenen de weg naar geïntegreerde siliciumcircuits die verder gaan dan de wet van Moore, de analoge en digitale voordelen van oxide-elektronica naar individuele siliciumtransistors brengen.