Het creëren van compacte near-sensor computing chips via 3D-integratie van 2D-materialen

10 november 2024 functie

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidsregels van Science X. De redacteuren hebben de volgende aspecten benadrukt om de geloofwaardigheid van de inhoud te garanderen:

feiten gecheckt

door vakgenoten beoordeelde publicatie

betrouwbare bron

nagekeken

door Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Driedimensionale (3D) integratie heeft nieuwe mogelijkheden geopend voor de ontwikkeling van dichtere schakelingen met meer onderling verbonden elektronische componenten. 3D integratiebenaderingen omvatten het stapelen van meerdere lagen elektronische circuits samen, wat uiteindelijk resulteert in compactere en efficiëntere apparaten.

Deze fabricationstrategieën voor elektronica kunnen zowel de omvang als het energieverbruik van elektronica verminderen en tegelijkertijd hun prestaties verbeteren. Een opkomende 3D integratiebenadering die bijzonder veelbelovend is gebleken, is monolithische 3D (M3D) integratie, waarbij transistors laag voor laag worden geconstrueerd op hetzelfde substraat in plaats van individuele chips aan elkaar te binden.

Onderzoekers van de Pennsylvania State University hebben onlangs zeer compacte near-sensor computing chips ontwikkeld via de heterogene M3D integratie van tweedimensionale (2D) materialen. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Electronics, toont de fabricage van deze chips met schaalbare strategieën die compatibel zijn met bestaande productieprocessen.

'M3D integratie wordt steeds vaker gebruikt door de halfgeleiderindustrie als een alternatief voor traditionele through-silicon via technologie, als een manier om de dichtheid van gestapelde, heterogene elektronische componenten te verhogen,' schreven Subir Ghosh, Yikai Zheng en hun collega's in hun artikel. 'M3D integratie kan ook transistorniveau-partitionering en materiaalheterogeniteit bieden. Er zijn echter weinig grote-area demonstraties van M3D integratie met niet-silicium materialen.'

Als onderdeel van hun recente studie hebben Ghosh, Zheng en hun collega's zich ten doel gesteld een sensor- en near-sensor computing chip te ontwikkelen op basis van 2D elektronica met behulp van een M3D integratiestrategie. De chip die ze hebben gemaakt integreert meer dan 500 chemitransistors en meer dan 500 memtransistors, met verticale interconnects (vias) van 3 μm groot en op een afstand van 1 μm van elkaar.

'We rapporteren de heterogene M3D integratie van tweedimensionale materialen met behulp van een dichte inter-via structuur met een interconnect (I/O) dichtheid van 62.500 I/O per mm2,' schreven Ghosh, Zheng en hun collega's. 'Onze M3D stapel bestaat uit op grafiet gebaseerde chemisensoren in laag 2 en op molybdeen disulfide (MoS2) memtransistor-gebaseerde programmeerbare circuits in laag 1, met meer dan 500 apparaten in elke laag. Ons proces maakt de fysieke nabijheid tussen sensoren en rekenkundige elementen mogelijk om te worden teruggebracht tot 50 nm, wat resulteert in verminderde latentie in near-sensor computing toepassingen.'

Een belangrijk voordeel van de M3D integratiebenadering die door de onderzoekers wordt toegepast, is dat het gehele fabricageproces plaatsvindt bij temperaturen onder de 200 °C. Dit betekent dat het compatibel is met back-end-of-line integratieprocessen die momenteel worden gebruikt voor de fabricage van op halfgeleiders gebaseerde apparaten.

Als onderdeel van hun studie hebben Ghosh, Zheng en hun collega's de rekenchip die ze hebben ontwikkeld gebruikt voor chemische codificatie. Specifiek hebben ze een waarschuwingssysteem ontwikkeld dat kan worden gebruikt om verschillende chemicaliën te identificeren en te classificeren.

De chemitransistors in de chip van het team werden blootgesteld aan suikeroplossingen met verschillende concentraties en de elektrische signalen die ze genereerden als reactie op deze oplossingen werden opgenomen. Vervolgens verwerkten memtransistors de signalen die werden gegenereerd door de chemitransistors, waarbij ze deze omzetten in analoge en digitale codes.

De resultaten van de demonstraties van het waarschuwingssysteem van het team benadrukken het potentieel van de nieuwe near-sensing computing chip voor de verwerking en classificatie van chemicaliën. In de toekomst kan hun voorgestelde fabricage-aanpak worden opgeschaald om chips te ontwikkelen met nog meer circuits en sensoren, die geavanceerdere classificatietaken kunnen aanpakken.

Meer informatie: Subir Ghosh et al, Monolithische en heterogene driedimensionale integratie van tweedimensionale materialen met high-density vias, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01251-8

© 2024 Science X Netwerk