Creando chips compactos de computación cercana al sensor a través de la integración en 3D de materiales 2D

10 de noviembre de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli , Tech Xplore

La integración tridimensional (3D) ha abierto nuevas posibilidades para el desarrollo de circuitos más densos con componentes electrónicos más interconectados. Los enfoques de integración 3D implican apilar múltiples capas de circuitos electrónicos juntos, produciendo en última instancia dispositivos más compactos y eficientes.

Estas estrategias de fabricación de electrónicos pueden reducir tanto el tamaño como el consumo de energía de los electrónicos al mismo tiempo que aumentan su rendimiento. Un enfoque emergente de integración 3D que ha demostrado ser particularmente prometedor es la integración monolítica 3D (M3D), que implica la construcción de transistores capa por capa en el mismo sustrato en lugar de unir chips individuales juntos.

Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania desarrollaron recientemente chips de cómputo cerca del sensor altamente compactos a través de la integración heterogénea M3D de materiales bidimensionales (2D). Su artículo, publicado en Nature Electronics, demuestra la fabricación de estos chips utilizando estrategias escalables compatibles con procesos de fabricación existentes.

'La integración M3D está siendo adoptada cada vez más por la industria de semiconductores como una alternativa a la tecnología tradicional a través de vias de silicio, como una forma de aumentar la densidad de componentes electrónicos apilados y heterogéneos,' escribieron Subir Ghosh, Yikai Zheng y sus colegas en su artículo. 'La integración M3D también puede proporcionar particionamiento a nivel de transistor y heterogeneidad de material. Sin embargo, hay pocas demostraciones a gran escala de integración M3D utilizando materiales que no sean de silicio.'

Como parte de su estudio reciente, Ghosh, Zheng y sus colegas se propusieron desarrollar un chip de sensado y cómputo cercano al sensor basado en electrónica 2D empleando una estrategia de integración M3D. El chip que crearon integra más de 500 quimtransistores y más de 500 memtransistores, con interconexiones verticales (vias) de 3 µm de tamaño y a 1 µm de distancia entre sí.

'Reportamos la integración heterogénea M3D de materiales bidimensionales usando una estructura densa de inter-via con una densidad de interconexión (E/S) de 62,500 E/S por mm2,' escribieron Ghosh, Zheng y sus colegas. 'Nuestra pila M3D consiste en quimisensores basados en grafeno en el nivel 2 y circuitos programables basados en memtransistores de disulfuro de molibdeno (MoS2) en el nivel 1, con más de 500 dispositivos en cada nivel. Nuestro proceso permite reducir la proximidad física entre sensores y elementos de cómputo a 50 nm, proporcionando una latencia reducida en aplicaciones de cómputo cercano al sensor.'

Una ventaja clave del enfoque de integración M3D utilizado por los investigadores es que todo el proceso de fabricación tiene lugar a temperaturas inferiores a 200°C. Esto significa que es compatible con procesos de integración de la línea posterior actualmente utilizados para fabricar dispositivos basados en semiconductores.

Como parte de su estudio, Ghosh, Zheng y sus colegas utilizaron el chip de cómputo que desarrollaron para codificación química. Específicamente, desarrollaron un sistema de alerta que podría utilizarse para identificar y clasificar diferentes químicos.

Los quimtransistores en el chip del equipo fueron expuestos a soluciones de azúcar con diferentes concentraciones y las señales eléctricas que generaron en respuesta a estas soluciones fueron registradas. Posteriormente, los memtransistores procesaron las señales generadas por los quimtransistores, convirtiéndolas en códigos analógicos y digitales.

Los hallazgos de las demostraciones del sistema de alerta del equipo resaltan el potencial del nuevo chip de cómputo cercano al sensor para procesar y clasificar productos químicos. En el futuro, su enfoque de fabricación propuesto podría ampliarse para desarrollar chips con un número aún mayor de circuitos y sensores, que podrían abordar tareas de clasificación más avanzadas.

Más información: Subir Ghosh et al, Monolithic and heterogeneous three-dimensional integration of two-dimensional materials with high-density vias, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01251-8

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