通过二维材料的三维集成创建紧凑型近传感器计算芯片
三维 (3D) 集成为开发具有更多互连电子元件的更密集电路开辟了新的可能性。3D 集成方法需要将多层电子电路堆叠在一起，最终生产出更紧凑、更高效的设备。这些电子制造策略可以减少电子产品的尺寸和功耗，同时提高其性能。一种被认为特别有前景的新兴 3D 集成方法是单片 3D (M3D) 集成，它涉及在同一基板上逐层构建晶体管，而不是将各个芯片粘合在一起。
宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近通过二维 (2D) 材料的异质 M3D 集成开发了高度紧凑的近传感器计算芯片。他们的论文发表在《自然电子》杂志上，展示了使用与现有制造工艺兼容的可扩展策略制造这些芯片的方法。
Subir Ghosh、Yikai Zheng 及其同事在论文中写道： “M3D 集成正日益被半导体行业采用，作为传统硅通孔技术的替代，用于增加堆叠异质电子元件的密度。M3D 集成还可以提供晶体管级分区和材料异质性。然而，使用非硅材料的 M3D 集成的大面积演示很少。”
作为他们最近研究的一部分，Ghosh、Zheng 及其同事着手开发一种基于采用 M3D 集成策略的 2D 电子器件的传感和近传感器计算芯片。他们创建的芯片集成了 500 多个化学晶体管和 500 多个记忆晶体管，垂直互连（通孔）尺寸为 3 微米，彼此相距 1 微米。
Ghosh、Zheng 及其同事写道：“我们报告了使用密集通孔结构实现的二维材料异构 M3D 集成，互连 (I/O) 密度为每平方毫米 62,500 个 I/O 。”“我们的 M3D 堆栈由第2层基于石墨烯的化学传感器和第 1 层基于二硫化钼(MoS 2 ) 记忆晶体管的可编程电路组成，每层有 500 多个设备。我们的工艺可将传感器和计算元件之间的物理距离缩小到 50 纳米，从而降低近传感器计算应用中的延迟。”
研究人员采用的 M3D 集成方法的一个关键优势是整个制造过程都在 200°C 以下的温度下进行。这意味着它与目前用于制造半导体设备的后端集成工艺兼容。
作为研究的一部分，Ghosh、Zheng 及其同事使用了他们开发的用于化学编码的计算芯片。具体来说，他们开发了一种可用于识别和分类不同化学物质的警报系统。
该团队将芯片中的化学晶体管暴露于不同浓度的糖溶液中，并记录它们对这些溶液产生的电信号。随后，记忆晶体管处理化学晶体管产生的信号，将其转换为模拟和数字代码。
该团队的警报系统演示结果凸显了新型近距离传感计算芯片在处理和分类化学物质方面的潜力。未来，他们提出的制造方法可以扩大规模，开发具有更多电路和传感器的芯片，从而可以处理更高级的分类任务。
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