Création de puces informatiques compactes près du capteur via l'intégration 3D de matériaux en 2D

10 novembre 2024

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

L'intégration tridimensionnelle (3D) a ouvert de nouvelles possibilités pour le développement de circuits plus denses avec des composants électroniques plus interconnectés. Les approches d'intégration 3D consistent à empiler plusieurs couches de circuits électroniques ensemble, produisant ainsi des dispositifs plus compacts et plus efficaces.

Ces stratégies de fabrication électronique peuvent réduire à la fois la taille et la consommation d'énergie des appareils électroniques tout en améliorant leurs performances. Une approche d'intégration 3D émergente particulièrement prometteuse est l'intégration 3D monolithique (M3D), qui implique la construction de transistors couche par couche sur le même substrat au lieu de joindre des puces individuelles ensemble.

Des chercheurs de l'Université d'État de Pennsylvanie ont récemment développé des puces informatiques hautement compactes près du capteur via l'intégration hétérogène M3D de matériaux bidimensionnels (2D). Leur papier, publié dans Nature Electronics, démontre la fabrication de ces puces en utilisant des stratégies évolutives compatibles avec les processus de fabrication existants.

"L'intégration M3D est de plus en plus adoptée par l'industrie des semi-conducteurs comme une alternative à la technologie traditionnelle via siliconique, comme moyen d'augmenter la densité des composants électroniques empilés et hétérogènes", ont écrit Subir Ghosh, Yikai Zheng et leurs collègues dans leur document. "L'intégration M3D peut également fournir une partition au niveau des transistors et une hétérogénéité des matériaux. Cependant, il existe peu de démonstrations à grande échelle de l'intégration M3D utilisant des matériaux non-silicium."

Dans le cadre de leur récente étude, Ghosh, Zheng et leurs collègues ont entrepris de développer une puce de détection et de calcul près du capteur basée sur l'électronique 2D en utilisant une stratégie d'intégration M3D. La puce qu'ils ont créée intègre plus de 500 chémitransistors et plus de 500 mémtransistors, avec des interconnexions verticales (vias) de 3 µm de taille et à une distance de 1 µm les unes des autres.

"Nous décrivons l'intégration hétérogène M3D de matériaux bidimensionnels en utilisant une structure inter-via dense avec une densité d'interconnexions (E/S) de 62 500 I/E par mm2", ont écrit Ghosh, Zheng et leurs collègues. "Notre pile M3D se compose de chémitransistors à base de graphène au niveau 2 et de circuits programmables à base de mémtransistors de disulfure de molybdène (MoS2) au niveau 1, avec plus de 500 dispositifs dans chaque niveau. Notre processus permet la proximité physique entre les capteurs et les éléments de calcul à être réduite à 50 nm, fournissant une latence réduite dans les applications de calcul près du capteur."

Un avantage clé de l'approche d'intégration M3D utilisée par les chercheurs est que l'ensemble du processus de fabrication se déroule à des températures inférieures à 200 °C. Cela signifie qu'il est compatible avec les processus d'intégration de l'arrière-plan actuellement utilisés pour fabriquer des dispositifs à base de semi-conducteurs.

Dans le cadre de leur étude, Ghosh, Zheng et leurs collègues ont utilisé la puce informatique qu'ils ont développée pour la codification chimique. Plus précisément, ils ont développé un système d'alerte qui pourrait être utilisé pour identifier et classifier différents produits chimiques.

Les chémitransistors de la puce de l'équipe ont été exposés à des solutions sucrées avec différentes concentrations et les signaux électriques qu'ils ont générés en réponse à ces solutions ont été enregistrés. Ensuite, les mémtransistors ont traité les signaux générés par les chémitransistors, les convertissant en codes analogiques et numériques.

Les conclusions des démonstrations du système d'alerte de l'équipe mettent en lumière le potentiel de la nouvelle puce de calcul près du capteur pour le traitement et la classification des produits chimiques. À l'avenir, leur approche de fabrication proposée pourrait être étendue pour développer des puces avec un nombre encore plus grand de circuits et de capteurs, capables de relever des tâches de classification plus avancées.

Plus d'informations: 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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