Circuitos integrados de silício, que são usados ​​em processadores de computador, estão se aproximando da densidade máxima viável de transistores em um único chip - pelo menos, em matrizes bidimensionais.

Agora, uma equipe de engenheiros da Universidade de Michigan empilhou uma segunda camada de transistores diretamente sobre um chip de silício de última geração.

Eles propõem que seu projeto pode eliminar a necessidade de um segundo chip que converta entre sinais de alta e baixa tensão, que atualmente está entre os chips de processamento de baixa tensão e as interfaces de usuário de alta tensão.

"Nossa abordagem pode alcançar melhor desempenho em um ambiente menor, pacote mais leve, "disse Becky Peterson, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação e líder de projeto.

A Lei de Moore afirma que o poder de computação por dólar dobra aproximadamente a cada dois anos. Como os transistores de silício diminuíram de tamanho para se tornarem mais acessíveis e eficientes em termos de energia, as tensões nas quais operam também caíram.

Tensões mais altas danificariam os transistores cada vez mais pequenos. Por causa disso, chips de processamento de última geração não são compatíveis com componentes de interface de usuário de alta voltagem, como touchpads e drivers de vídeo. Eles precisam funcionar com voltagens mais altas para evitar efeitos como falsos sinais de toque ou configurações de brilho muito baixas.

“Para resolver este problema, estamos integrando diferentes tipos de dispositivos com circuitos de silício em 3-D, e esses dispositivos permitem que você faça coisas que os transistores de silício não podem fazer, "Peterson disse.

Como a segunda camada de transistores pode lidar com tensões mais altas, eles essencialmente fornecem a cada transistor de silício seu próprio intérprete para falar com o mundo exterior. Isso contorna a atual compensação 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 funciona em uma voltagem mais alta.

"Isso permite um chip mais compacto com mais funcionalidade do que seria possível apenas com o silício, "disse Youngbae Filho, o primeiro autor do artigo e recém-graduado com doutorado em engenharia elétrica e da computação na U-M.

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

Próximo, eles assaram o chip brevemente para secá-lo. Eles repetiram esse processo para fazer uma camada de óxido de zinco-estanho com cerca de 75 nanômetros de espessura - cerca de um milésimo da espessura de um cabelo humano. Durante um assado final, os metais ligados ao oxigênio do ar, criando uma camada de óxido de zinco-estanho.

A equipe usou o filme de óxido de zinco-estanho para fazer transistores de filme fino. Esses transistores podem lidar com tensões mais altas do que o silício abaixo. Então, a equipe testou o chip de silício subjacente e confirmou que ainda funcionava.

Para fazer circuitos úteis com o chip de silício, os transistores de óxido de zinco-estanho precisavam se comunicar totalmente com os transistores de silício subjacentes. A equipe conseguiu isso adicionando mais dois elementos de circuito usando o óxido de zinco-estanho:um diodo de filme fino vertical e um transistor com barreira Schottky.

Os dois tipos de transistores de óxido de zinco-estanho são conectados para formar um inversor, conversão entre a baixa voltagem usada pelo chip de silício e as voltagens mais altas usadas por outros componentes. Os diodos foram usados ​​para converter sinais sem fio em energia DC útil para os transistores de silício.

Essas demonstrações abrem caminho para circuitos integrados de silício que vão além da lei de Moore, trazendo as vantagens analógicas e digitais da eletrônica de óxido para transistores de silício individuais.