为提高芯片的性能，范畴内耐久采用的措施是束缚减弱晶体管（处理信息的微型开关）尺寸，并在芯片上重复多层器件。
然则，跟着摩尔定律增速放缓，器件越来越接近物理的极限，芯片制造商面对的最大挑战之一是，进一步袖珍化的挑战越来越大。
近期，好意思国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）团队开发了一种新式单片 3D 硅芯片集成时代，通过同样辊式转印工艺，在 200°C（摄氏度）以下的热预算要求下，使用厚度在 10nm（纳米）以下的超薄硅纳米膜，将高性能的硅基晶体管一层层叠上去。
探讨东谈主员竣事了三层堆叠、每层 625 个晶体管，良率范围在 98% 至 100% 之间，不仅性能接近早期商用硅 MOSFET，同期展现出优于部分替代材料决策的空洞制造上风。
该时代为措置传统二维芯片微缩的物理极限提供了一种新决策，通过垂直堆叠大幅度提高了预计密度，并简略缩小功耗，有望行使于 AI、高性能预计以及 DRAM 等主流存储器。
此外，探讨东谈主员指出，要是将硅与其他材料集成在单片 3D 芯片中，还有可能开辟全新的行使范畴，举例垂直堆叠不同类型的单晶半导体可能制造出超灵巧的 X 射线探伤器面板或紧凑型多光谱成像系统。
关联论文发表在 Nature，论文题目为“Monolithic three-dimensional integration of silicon transistors”[1]。
图丨关联论文（开头：Nature）
“多年来，东谈主们耐久觉得制造单片 3D 芯片需要新式特别材料，举例碳纳米管、金属氧化物半导体或二维半导体（举例二维硫族化合物）等，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校曹庆（Qing Cao）副进修对媒体示意，“硅材料简略胜任这项责任，意味着这项时代不错告成融入现存的制造工艺，有望极地面加速其在产业行使的进度。”
他的主要探讨见解是开发用于极度规电子系统、高性能纳米电子器件和生物电子学的功能纳米材料，凭借一系列先进责任，曾入选《麻省理工科技驳倒》“35 岁以下科技改进 35 东谈主”天下榜单。
图丨曹庆进修（开头：UIUC）
在传统微芯片中，时时使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），它由 n 型半导体和 p 型半导体组成。新式 3D 芯片的改进性在于从源泉进行了材料野心，探讨东谈主员并莫得采用现成的工艺，而是可在堆叠工艺运转前制备无结晶体管。
与 MOSFET 比拟，无结晶体管的源极、沟谈和漏极均为十足的 p 型或 n 型，无需像 MOSFET 那样需要酿成 p-n 结才气责任。
制造高性能硅器件时时需要接近 1，000℃ 的高温要求，2026世界杯盘口为幸免损坏现存结构，在第一层电路和金属布线完成后，后续各层温度需要保合手在 400℃ 以下。而无结晶体管对高温要求的截止相对更低，在该探讨中，其所需温度不逾越 200℃。
图丨单晶硅纳米膜的晶圆级全体三维堆叠结构（开头：Nature）
从工艺历程来看，无结器件相对更简便，有意于缩小老本和提高良率。探讨东谈主员在 75 毫米硅晶圆上制造了三层无结晶体管，每层包含 625 个晶体管，每层晶体管分散在 40×40 mm² 区。这些器件的良率在 98% 到 100% 之间，同期性能与在更高温度下制造的圭臬硅晶体管相当。
这种新式 3D 芯片采用晶圆级辊移印刷工艺，将均匀掺杂单晶硅薄膜逐层铺设而成，薄膜厚度仅 10nm 以内，比东谈主的头发丝还细上万倍。这些薄膜具有超薄的特色且有一定柔韧性，因此可贴合基层描绘，从而在一定程度上幸免了刚性晶圆间键合中常见的赋闲和翘曲问题。
B体育(Bsports)官方网站为竣事硅纳米膜的踏实转机与堆叠，并幸免裂纹、褶皱等弱势产生，探讨东谈主员针对工艺历程进行了多项工程方面的鼎新和优化。举例，在某些蚀刻体式中添加名义活性剂以缩小名义张力；添加团员物支合手层以增强机械踏实性和保护名义；采用辊压层压工艺在转机过程中，施加均匀压力等。
新式单片 3D 硅芯片性能优异。实测服从泄露，p 型晶体管的饱胀电流密度在 650 微安每微米以上，n 型也达到 550 微安每微米，开关比达到 10 的 6 次方，亚阈值摆幅在 80 到 120 毫伏每十倍频之间。
图丨单片式 3D 集成逻辑电路（开头：Nature）
在电路考据方面，探讨团队将 p 型和 n 型晶体管分裂放在不同层，然后通过垂直金属运动将各层运动起来，并构建了由分散在 3D 芯片三层上的晶体管组成的多样逻辑门和电路，包括反相器、与非门、或非门以及六晶体管 SRAM 单位。与平面布局比拟，三维反相器和非门的集成密度提高了约 1 倍，存储器单位的集成密度提高了 3 倍把握。
该时代让咱们看到了一种新的可能性：垂直堆叠无需糟跶晶体管的性能。而况，辊式转印开导和工艺与现存产线十足兼容，为基于单晶硅的摩尔定律不绝提供了一条可扩张的旅途。
现阶段，该时代仍处于履行室和小批量原型制备阶段，将来跟着这项时代向大范畴坐褥扩张，有望制造出密度更高、能效更高、互连线更短的芯片。现在，探讨团队正在与 IBM、英特尔和台积电等公司洽谈相助事宜，他们但愿早日将这项时代落地行使。
参考贵府：
1.Lam， B.， Yu， Y.M.， Nam， H. et al. Monolithic three-dimensional integration of silicon transistors. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10496-6
2.https://spectrum.ieee.org/3d-chips
3.课题组主页：https://qingcaolab.matse.illinois.edu/group/
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注：封面/首图由 AI 扶直生成2026世界杯实时比分