Att skapa kompakta nära-sensordatorchip via 3D-integration av 2D-material

10 november 2024 funktion

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policy. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet:

fakta-kontrollerad

granskad av peers

pålitlig källa

korrekturläst

av Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Tredimensionell (3D) integration har öppnat nya möjligheter för utvecklingen av tätare kretsar med mer sammanlänkade elektroniska komponenter. 3D integrationsmetoder innebär att stapla flera lager av elektroniska kretsar tillsammans och resulterar slutligen i mer kompakta och effektiva enheter.

Dessa elektronikfabrikationsstrategier kan minska både storleken och energiförbrukningen hos elektronik samtidigt som de förbättrar dess prestanda. En framväxande 3D integrationsmetod som har visat sig särskilt lovande är monolitisk 3D (M3D) integration, som innebär konstruktionen av transistorer skiktför skikt på samma substrat istället för att binda ihop enskilda chips.

Forskare vid Pennsylvanias universitet har nyligen utvecklat mycket kompakta närsensorberäkningschip genom heterogen M3D integration av tvådimensionella (2D) material. Deras artikel, publicerad i Nature Electronics, visar tillverkningen av dessa chip med skalbara strategier som är kompatibla med befintliga tillverkningsprocesser.

"M3D integration antas allt mer av halvledarbranschen som ett alternativ till traditionell genom-silikon-via-teknik, som ett sätt att öka densiteten hos staplade, heterogena elektroniska komponenter," skrev Subir Ghosh, Yikai Zheng och deras kollegor i deras artikel. "M3D integration kan också ge transistornivåpartitionering och materialheterogenitet. Det finns dock få storskaliga demonstrationer av M3D integration med ickesilikatmaterial."

Som en del av deras senaste studie, satte Ghosh, Zheng och deras kollegor igång att utveckla ett sensoriskt och närsensorberäkningschip baserat på 2D-elektronik med hjälp av en M3D integrationsstrategi. Det chip de skapade integrerar över 500 kemitransistorer och över 500 memtransistorer, med vertikala interconnects (vias) som är 3 μm i storlek och 1 μm från varandra.

"Vi rapporterar heterogen M3D integration av tvådimensionella material med en tät inter-via-struktur med en interconnect (I/O)-densitet på 62,500 I/O per mm2," skrev Ghosh, Zheng och deras kollegor. "Vår M3D-stapel består av grafenbaserade kemisensorer i skikt 2 och molybden-disulfid (MoS2)-memtransistorbaserade programmerbara kretsar i skikt 1, med över 500 enheter i varje skikt. Vår process tillåter att den fysiska närheten mellan sensorer och beräkningselement kan minskas till 50 nm, vilket ger minskad latens i närsensorberäkningsapplikationer."

En viktig fördel med M3D integrationsmetoden som forskarna använder är att hela tillverkningsprocessen sker vid temperaturer under 200 °C. Det innebär att den är kompatibel med de bakre integrationsprocesser som för närvarande används för att tillverka halvledarbaserade enheter.

I sin studie använde Ghosh, Zheng och deras kollegor det beräkningschip de utvecklade för kemisk kodifiering. De utvecklade specifikt ett varningssystem som kunde användas för att identifiera och klassificera olika kemikalier.

Kemitransistorerna i lagets chip utsattes för sockerlösningar med olika koncentrationer och de elektriska signaler de genererade som svar på dessa lösningar registrerades. Därefter bearbetade memtransistorerna signalerna som genererades av kemitransistorerna och omvandlade dem till analoga och digitala koder.

Resultaten från lagets demonstrations av varningssystemet belyser potentialen hos det nya närsensoriska beräkningschipet för att bearbeta och klassificera kemikalier. I framtiden kan deras föreslagna tillverkningsmetod skala upp för att utveckla chip med ännu fler kretsar och sensorer, vilket skulle kunna hantera mer avancerade klassificeringsuppgifter.

Mer information: 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

© 2024 Science X Network