2D半導体トランジスタの大規模3D集積でムーアの法則を加速

ペンシルベニア州立大学の研究者たちが、遷移金属ダルコゲナイド（TMD）系2D半導体トランジスタを用いたモノリシック3D集積を、数万デバイス規模で実証した。Nature誌（2024年1月10日号）に掲載されたこの成果は、「More Moore（更なる微細化）」と「More than Moore（機能多様化）」を同時に達成する道筋を示す。

モノリシック3D集積の利点と課題

従来のチップ間ボンディング（マイクロバンプ必要）と異なり、モノリシック3D集積は下層デバイス上に直接上層を形成するため、垂直接続密度が最高となる。しかし、従来シリコンプロセスでは450℃以上の後端プロセス温度で下層が損傷するため困難だった。

2D材料が低温プロセスを可能に

研究チームはプロセス温度上限を200℃未満に抑制。TMD系2D材料がこの低温に耐えられる特性を活かし、ウェーハスケール高品質2D材料（NSF支援の2DCC-MIPで開発）を用いて、段あたり3万トランジスタという記録的規模でモノリシック3D集積に成功。

垂直集積で距離短縮→高速・低消費電力

デバイス間距離短縮により遅延と消費電力を削減（「More Moore」）。2D材料特有の光感度等を活かし、センサー機能等を各層に統合（「More than Moore」）。キャリア移動度優位性と超薄膜化で更なる高集積化も可能。

学術から産業への橋渡し、米半導体産業との連携へ

数万デバイス規模の実証は学術研究と産業界のギャップを埋める。ペンシルベニア州立大は2D材料専門性と設備を活かし、米半導体産業とのパートナーシップで次世代デバイス開発を主導する立場にある。

出典：ペンシルベニア州立大学プレスリリース

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