Tworzenie kompaktowych układów komputerowych blisko sensorów poprzez trójwymiarową integrację materiałów dwuwymiarowych

10 listopada 2024 funkcja

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, zapewniając jednocześnie wiarygodność treści:

sprawdzono fakty

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

skorygowano

autor: Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Trójwymiarowa (3D) integracja otworzyła nowe możliwości rozwoju gęstszych obwodów z bardziej połączonymi komponentami elektronicznymi. Metody integracji 3D polegają na ułożeniu kilku warstw obwodów elektronicznych, co w rezultacie prowadzi do wytworzenia bardziej zwartych i efektywnych urządzeń.

Te strategie produkcji elektroniki mogą zmniejszyć zarówno rozmiar, jak i zużycie energii elektroniki, a jednocześnie zwiększyć jej wydajność. Powstający podejście do integracji 3D, które okazało się szczególnie obiecujące, to monolityczna integracja 3D (M3D), która polega na budowie tranzystorów warstwa po warstwie na tym samym podłożu, zamiast łączenia pojedynczych układów scalonych razem.

Niedawno badacze z Pennsylvania State University opracowali bardzo zwartych mikrobudówkę komputerową w skali zbliżonej do sensora poprzez heterogeniczną integrację M3D dwuwymiarowych materiałów (2D). Ich artykuł, opublikowany w Nature Electronics, demonstruje wytwarzanie tych układów przy użyciu skalowalnych strategii kompatybilnych z obecnymi procesami produkcyjnymi.

„Integracja M3D jest coraz częściej stosowana przez przemysł półprzewodnikowy jako alternatywa dla tradycyjnej technologii przezziarnowej przez krzem, jako sposób zwiększenia gęstości układów elektronicznych układanych heterogenicznie”, napisali Subir Ghosh, Yikai Zheng i ich koledzy w swoim artykule. „Integracja M3D może również zapewnić podział na poziomie tranzystora i heterogeniczność materiałów. Jednak jest niewiele dużych eksperymentów integracyjnych M3D na dużą skalę, wykorzystujących materiały inne niż krzem”.

W ramach swojego ostatniego badania, Ghosh, Zheng i ich koledzy postanowili opracować układ sensorów i komputerów bliskich sensorowi oparty na elektronice 2D, wykorzystując strategię integracji M3D. Wytworzą utworzony przez nich układ integruje ponad 500 chemitranzystorów i ponad 500 memotranzystorów, z pionowymi połączeniami (przewodami) o wielkości 3 μm i odległości 1 μm między sobą.

„Raportujemy heterogeniczną integrację M3D dwuwymiarowych materiałów przy użyciu gęstej struktury międzyprzewodowej z gęstością połączeń (I/O) wynoszącą 62,500 I/O na mm2”, napisali Ghosh, Zheng i ich koledzy. „Nasz stos M3D składa się z chemisensorów opartych na grafenie w warstwie 2 i układów programowalnych memotranzystorów opartych na dwusiarczku molibdenu (MoS2) w warstwie 1, z ponad 500 urządzeniami w każdej warstwie. Nasz proces pozwala na fizyczną bliskość między sensorami i elementami obliczeniowymi do odległości 50 nm, co zapewnia zmniejszenie opóźnienia w aplikacjach obliczeniowych bliskich sensorowi”.

Ważną zaletą zastosowanego przez badaczy podejścia integracyjnego M3D jest to, że cały proces wytwarzania odbywa się w temperaturach poniżej 200 °C. Oznacza to, że jest on kompatybilny z procesami integracji z tyłu linii, które obecnie są wykorzystywane do wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych.

W ramach swojego badania, Ghosh, Zheng i ich koledzy wykorzystali opracowany przez nich układ komputerowy do kodowania chemicznego. Konkretnie, stworzyli system alarmowy, który mógł być wykorzystany do identyfikacji i klasyfikacji różnych substancji chemicznych.

Chemitranzistory w układzie zespołu były narażone na roztwory cukru o różnych stężeniach, a sygnały elektryczne, które generowały w odpowiedzi na te roztwory, były rejestrowane. Następnie memotranzistory przetwarzały sygnały generowane przez chemitranzistory, zamieniając je na kody analogowe i cyfrowe.

Wnioski z prezentacji systemu alarmowego zespołu podkreślają potencjał nowego układu komputerowego do przetwarzania i klasyfikacji substancji chemicznych. W przyszłości zaproponowane podejście do wytwarzania może być rozwinięte, aby rozwijać układy z jeszcze większą liczbą obwodów i sensorów, co mogłoby zmierzać do rozwiązywania bardziej zaawansowanych zadań klasyfikacyjnych.

Więcej informacji: Subir Ghosh et al, Monolityczna i heterogeniczna integracja trójwymiarowa materiałów dwuwymiarowych z wysoko gęstymi przepustami, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01251-8

© 2024 Science X Network