Erstellung von kompakten Computerchips in der Nähe des Sensors durch 3D-Integration von 2D-Materialien

10. November 2024 Funktionen

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Eigenschaften hervorgehoben, während sie die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherstellten:

Faktencheck

Peer-Review-Publikation

Vertrauenswürdige Quelle

korrekturgelesen

von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Durch die dreidimensionale (3D) Integration eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung von dichteren Schaltkreisen mit mehr verbundenen elektronischen Komponenten. 3D-Integrationsansätze beinhalten das Stapeln mehrerer Schichten von elektronischen Schaltkreisen, was letztendlich kompaktere und effizientere Geräte produziert.

Diese Elektronik-Fertigungsstrategien können sowohl die Größe als auch den Stromverbrauch der Elektronik reduzieren und gleichzeitig deren Leistung steigern. Ein aufstrebender 3D-Integrationsansatz, der sich als besonders vielversprechend erwiesen hat, ist die monolithische 3D (M3D) Integration, bei der die Transistoren schichtweise auf demselben Substrat aufgebaut werden, anstatt einzelne Chips miteinander zu verbinden.

Forscher der Pennsylvania State University haben kürzlich hochkompakte Near-Sensor-Computing-Chips über die heterogene M3D-Integration zweidimensionaler (2D) Materialien entwickelt. Ihr in Nature Electronics veröffentlichtes Papier zeigt die Herstellung dieser Chips mit skalierbaren Strategien, die mit bestehenden Fertigungsprozessen kompatibel sind.

'M3D-Integration wird von der Halbleiterindustrie zunehmend als Alternative zur herkömmlichen Through-Silicon-Via-Technologie angenommen, um die Dichte gestapelter, heterogener elektronischer Komponenten zu erhöhen', schrieben Subir Ghosh, Yikai Zheng und ihre Kollegen in ihrem Papier. 'M3D-Integration kann auch eine Transistor-Level-Partitionierung und Materialheterogenität bieten. Es gibt jedoch nur wenige großflächige Demonstrationen von M3D-Integration mit nicht-siliziumbasierten Materialien.'

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie entwickelten Ghosh, Zheng und ihre Kollegen einen Sensor- und Near-Sensor-Computing-Chip auf Basis von 2D-Elektronik unter Verwendung einer M3D-Integrationsstrategie. Der von ihnen geschaffene Chip integriert über 500 Chemitransistoren und über 500 Memtransistoren, mit vertikalen Verbindungen (Vias) von 3 μm Größe und einem Abstand von 1 μm zueinander.

'Wir berichten über die heterogene M3D-Integration zweidimensionaler Materialien unter Verwendung einer dichten Inter-Via-Struktur mit einer Interconnect-(I/O)-Dichte von 62.500 I/O pro mm2', schrieben Ghosh, Zheng und ihre Kollegen. 'Unser M3D-Stack besteht aus graphenebasierten Chemiesensoren in Ebene 2 und molybdändisulfid(MoS2)-Memtransistor-basierten programmierbaren Schaltkreisen in Ebene 1, mit mehr als 500 Geräten in jeder Ebene. Unser Prozess ermöglicht eine physische Nähe zwischen Sensoren und Berechnungselementen von 50 nm, was eine reduzierte Latenz bei Near-Sensor-Computing-Anwendungen bietet.'

Ein wichtiger Vorteil des von den Forschern angewendeten M3D-Integrationsansatzes ist, dass der gesamte Herstellungsprozess bei Temperaturen unter 200 °C stattfindet. Dies bedeutet, dass er kompatibel ist mit den derzeit verwendeten Back-End-of-Line-Integrationsprozessen zur Herstellung von Halbleiter-basierten Geräten.

In ihrer Studie verwendeten Ghosh, Zheng und ihre Kollegen den von ihnen entwickelten Rechnerchip für die chemische Kodierung. Sie entwickelten speziell ein Warnsystem, das zur Identifizierung und Klassifizierung verschiedener Chemikalien verwendet werden konnte.

Die Chemitransistoren im Chip des Teams wurden verschiedenen Zuckerlösungen ausgesetzt und die elektrischen Signale, die sie als Reaktion auf diese Lösungen erzeugten, wurden aufgezeichnet. Anschließend verarbeiteten Memtransistoren die Signale der Chemitransistoren und wandelten sie in analoge und digitale Codes um.

Die Ergebnisse der Warnsystem-Demonstration des Teams verdeutlichen das Potenzial des neuen Near-Sensing-Computing-Chips für die Verarbeitung und Klassifizierung von Chemikalien. In Zukunft könnte ihr vorgeschlagener Herstellungsansatz aufgegriffen werden, um Chips mit einer noch größeren Anzahl von Schaltkreisen und Sensoren zu entwickeln, die komplexere Klassifizierungsaufgaben bewältigen könnten.

Weitere Informationen: Subir Ghosh et al, Monolithische und heterogene dreidimensionale Integration von zweidimensionalen Materialien mit hochdichten Vias, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01251-8

© 2024 Science X Network