Исследователи из Университет науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST, Саудовская Аравия) установили мировой рекорд, изготовив первую в истории шестиуровневую гибридную КМОП-схему. Ранее подобное решение ограничивалось максимум двумя слоями — этот рубеж принадлежал бельгийскому исследовательскому центру Imec.

Главная идея разработки заключается в вертикальном размещении транзисторов, что позволяет увеличить плотность элементов без расширения площади кристалла. Такой подход может стать ключевым для дальнейшего развития микроэлектроники, где классическое горизонтальное масштабирование уже близко к физическим пределам.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.

Техническая суть прорыва

Новая схема объединяет два типа тонкоплёночных транзисторов:

• n-типа — оксидные OxTs;

• p-типа — органические OrTs.

Подобная комбинация подходит для массового производства гибких дисплеев, носимых сенсоров и устройств Интернета вещей. Вертикальная интеграция позволила не только повысить плотность размещения элементов, но и сократить длину соединений, уменьшить паразитные задержки и снизить энергопотребление.

Процесс сборки включал 40 литографических этапов на кремниевой подложке. Электроды из алюминия и Ti/Au наносились методом PVD при низкой мощности, а температура на всех стадиях не превышала 100 °C. Такой щадящий режим позволил избежать перегрева нижних уровней и сохранить целостность структуры.

Размеры транзисторов составляли 10 мкм для n-типа и 3 мкм для p-типа, что обеспечило баланс токов и стабильность характеристик.

Результаты испытаний

Испытания проводились на 600 транзисторах (по 100 на уровень). Наилучшие характеристики показали нижние слои — за счёт минимальных паразитных потерь.

• Максимальный коэффициент усиления гибридных инверторов — 94,84 В/В.

• Напряжение переключения — от 0,93 до 2,61 В.

• Энергопотребление — 0,47 мкВт.

Также были успешно протестированы логические элементы, включая ячейки NOR, что подтверждает практическую применимость многослойной архитектуры.

Значение разработки

До сих пор переход к многоуровневым структурам сдерживался проблемами совмещения слоёв и тепловыми ограничениями. Новая технология преодолела эти барьеры, продемонстрировав устойчивую работу шести транзисторных стеков с 41 технологическим слоем.

Это открывает путь к созданию:

• более плотных и энергоэффективных микросхем,

• компактной логики и памяти,

• гибкой электроники нового поколения.

Дальнейшие шаги

Учёные планируют оптимизировать верхние уровни транзисторов и адаптировать технологию под крупные подложки для подготовки коммерческого производства. Такой подход может стать основой нового этапа в развитии энергоэффективной электроники, особенно для гибких устройств и IoT-систем.