Creazione di chip di calcolo compatto vicino al sensore tramite integrazione 3D di materiali 2D

10 novembre 2024 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

L'integrazione tridimensionale (3D) ha aperto nuove possibilità per lo sviluppo di circuiti più densi con componenti elettronici più interconnessi. I metodi di integrazione 3D implicano l'impilamento di più strati di circuiti elettronici insieme, producendo dispositivi più compatti ed efficienti.

Queste strategie di fabbricazione di elettronica possono ridurre sia le dimensioni che il consumo di energia della tecnologia, aumentandone al contempo le prestazioni. Un'innovativa approccio di integrazione 3D che si è dimostrato particolarmente promettente è l'integrazione 3D monolitica (M3D), che coinvolge la costruzione di transistor strato per strato sullo stesso substrato invece di unire chip individuali insieme.

Recentemente, i ricercatori della Pennsylvania State University hanno sviluppato chip di calcolo altamente compatti vicino al sensore tramite l'integrazione eterogenea M3D di materiali bidimensionali (2D). Il loro articolo, pubblicato su Nature Electronics, dimostra la fabbricazione di questi chip utilizzando strategie scalabili compatibili con i processi di produzione esistenti.

'L'integrazione M3D sta diventando sempre più adottata dall'industria dei semiconduttori come alternativa alla tecnologia tradizionale tramite silicio, come un modo per aumentare la densità di componenti elettronici impilati ed eterogenei', hanno scritto Subir Ghosh, Yikai Zheng e i loro colleghi nel loro articolo. 'L'integrazione M3D può anche fornire una partizione a livello di transistor e eterogeneità di materiale. Tuttavia, ci sono poche dimostrazioni su larga scala di integrazione M3D utilizzando materiali diversi dal silicio.'

Come parte del loro recente studio, Ghosh, Zheng e i loro colleghi hanno sviluppato un chip di calcolo basato sull'elettronica 2D impiegando una strategia di integrazione M3D. Il chip creato integra oltre 500 chemitransistori e oltre 500 memtransistori, con interconnessioni verticali (vias) di dimensioni pari a 3 μm e a una distanza di 1 μm l'uno dall'altro.

'Segnaliamo l'integrazione eterogenea M3D di materiali bidimensionali utilizzando una struttura di inter-via densa con una densità di interconnessione (I/O) di 62.500 I/O per mm2,' hanno scritto Ghosh, Zheng e i loro colleghi. 'La nostra pila M3D è composta da chemisensori a base di grafene nel livello 2 e circuiti programmabili a base di memtransistori di disolfuro di molibdeno (MoS2) nel livello 1, con più di 500 dispositivi in ciascun livello. Il nostro processo permette di ridurre la distanza fisica tra sensori ed elementi di calcolo a 50 nm, fornendo una latenza ridotta nelle applicazioni di calcolo vicino al sensore.'

Un vantaggio chiave dell'approccio di integrazione M3D impiegato dai ricercatori è che l'intero processo di fabbricazione avviene a temperature inferiori a 200 °C. Ciò significa che è compatibile con i processi di integrazione end-of-line attualmente utilizzati per fabbricare dispositivi a base di semiconduttori.

Come parte del loro studio, Ghosh, Zheng e i loro colleghi hanno utilizzato il chip di calcolo sviluppato per la codifica chimica. In particolare, hanno sviluppato un sistema di allarme che potrebbe essere utilizzato per identificare e classificare diverse sostanze chimiche.

I chemitransistori nel chip del team sono stati esposti a soluzioni zuccherine con diverse concentrazioni e i segnali elettrici generati in risposta a queste soluzioni sono stati registrati. Successivamente, i memtransistori hanno elaborato i segnali generati dai chemitransistori, convertendoli in codici analogici e digitali.

Le conclusioni delle dimostrazioni del sistema di allarme del team evidenziano il potenziale del nuovo chip di calcolo vicino al sensore per elaborare e classificare sostanze chimiche. In futuro, l'approccio di fabbricazione proposto potrebbe essere ampliato per sviluppare chip con un numero ancora maggiore di circuiti e sensori, in grado di affrontare attività di classificazione più avanzate.

Maggiori informazioni: Subir Ghosh et al, Integrazione monolitica ed eterogenea a tre dimensioni di materiali bidimensionali con interconnessioni ad alta densità, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01251-8

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