Een internationaal onderzoeksteam heeft een doorbraak bereikt in de driedimensionale integratie van halfgeleidercomponenten op 200 mm siliciumwafers. De onderzoekers demonstreerden de wafer-schaal monolithische 3D-integratie (M3D) van meer dan 100.000 apparaten op basis van atomaire-laagafzetting (ALD) van indiumoxide (InOx), zo blijkt uit een arxiv.org.
Drie lagen functionele transistors
De studie, ingediend op 10 augustus 2026, beschrijft hoe drie lagen van op indiumoxide gebaseerde veldeffecttransistoren op 200 mm siliciumwafers werden gestapeld. Het gaat daarbij om ferro-elektrische transistoren, enhancement-mode en depletion-mode transistoren. Volgens de onderzoekers werden daarbij drempelspanningen met een standaarddeviatie van slechts 0,04 V behaald en een gemiddelde elektronenmobiliteit tot 91,6 cm²V⁻¹s⁻¹.
Monolithische 3D-integratie wordt beschouwd als een mogelijke route om de schaalbeperkingen van conventionele silicium-CMOS-technologie te omzeilen. In tegenstelling tot traditionele chipontwerpen die componenten naast elkaar plaatsen, maakt M3D-integratie het mogelijk om logica- en geheugenfuncties verticaal te stapelen, wat de dichtheid van componenten aanzienlijk kan verhogen.
Toepassing voor AI-workloads
Het onderzoeksteam, onder leiding van Chang Niu en met medewerking van onder meer Peide D. Ye, ontwikkelde op basis van de technologie een vierlaagse 3D-computing-in-memory (CIM)-versneller die gericht is op grote taalmodellen. Volgens de publicatie levert dit systeem een versnelling van 1,4 tot 2,9 keer op ten opzichte van tweedimensionale referentieontwerpen, met vergelijkbare verbeteringen in energie-vertragingsproduct.
Voor het ontwerp van de versneller werd een speciaal ontwikkeld procesdesignkit (PDK) voor indiumoxide gebruikt. De onderzoekers stellen dat de resultaten aantonen dat ALD-gebaseerde InOx-M3D-integratie een schaalbaar en CMOS-compatibel platform vormt voor de volgende generatie AI-hardware.
Achtergrond: siliciumwafers als basis
Siliciumwafers vormen al decennialang de basis van de halfgeleiderindustrie. Het zijn uiterst vlakke schijven met een spiegelachtig oppervlak die worden gebruikt voor de productie van halfgeleiders in uiteenlopende elektronische apparaten, van computers tot smartphones, zo legt waferpro.com uit. Silicium is het op één na meest voorkomende element in het universum en wordt vanwege zijn halfgeleidende eigenschappen op grote schaal toegepast in de technologie- en elektronicasector.
De keuze voor 200 mm wafers in dit onderzoek is opmerkelijk, omdat veel moderne chipfabrieken inmiddels zijn overgeschakeld op grotere wafers. Toch blijft 200 mm-technologie relevant voor specifieke toepassingen en onderzoeksdoeleinden.
Betekenis voor de industrie
De resultaten van het onderzoek zijn veelbelovend voor de verdere ontwikkeling van AI-hardware. Door meerdere lagen van functionele componenten verticaal te stapelen, kunnen chips mogelijk compacter en energiezuiniger worden gemaakt, wat vooral relevant is voor de steeds zwaardere rekenlasten die grote taalmodellen met zich meebrengen.
De onderzoekers benadrukken dat de gebruikte productietechniek compatibel is met bestaande CMOS-processen, wat de weg zou kunnen effenen voor integratie in commerciële productielijnen. Het onderzoek is gepubliceerd in de categorie Applied Physics op arXiv en is ook relevant voor de materiaalwetenschap.