三维（3D）集成为开发具有更多互连电子组件的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。这些制造策略可以减少电子产品的尺寸和功耗，同时提高性能。在新兴3D集成方法中，单片3D集成（M3D）被认为特别富有前景，这涉及在同一基板上逐层构建晶体管，而不是将单个芯片结合在一起。
（图片来源：Nature Electronic）
据外媒报道，最近，宾西法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的研究人员对二维（2D）材料进行异构M3D集成，从而开发出高度紧凑的近传感器计算芯片。这项研究展示了使用可扩展策略来制备这些芯片，并且这些策略可以兼容现有制造工艺。相关论文发表在期刊《Nature Electronics》上。
研究人员表示，半导体行业越来越多地采用M3D集成，以替代传统传统硅通孔（through-silicon via）技术，提高堆叠、异构电子组件的密度。M3D集成还可以提供晶体管级分区和材料异质性。然而，对使用非硅材料进行M3D集成的大面积演示很少。
作为最近研究的一部分，Subir Ghosh和Yikai Zheng等人采用M3D集成策略，基于2D电子器件来开发传感和近传感器计算芯片。由此创建的芯片集成了500多个化学晶体管和500多个记忆晶体管，垂直互连（vias，通孔）尺寸为3μm，彼此相距1μm。
研究人员表示：“我们报告了使用密集通孔间结构（inter-via structure）实现二维材料异构M3D集成，互联（I/O，输入/输出）密度为每平方毫米62500 I/O。这种M3D堆栈包括第2层中基于石墨烯的化学传感器，以及第1层中基于二硫化钼（MoS2）记忆晶体管的可编程电路，每层有500多个器件。该工艺可将传感器和计算元件之间的物理接近性缩小到50 nm，从而降低近传感器计算应用中的延迟。”
采用M3D集成方法的关键优势是，整个制造过程在200°C以下的温度下进行。因此，它可以兼容目前用于制造半导体器件的后端集成工艺。
作为研究的一部分，研究人员使用所开发的计算芯片进行化学编码。具体来说，他们开发了一个警报系统，可以用来识别和分类不同的化学物质。该团队将芯片中的化学晶体管暴露在不同浓度的糖溶液中，并记录下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，将它们转换成模拟和数字代码。
该团队的警报系统演示结果突显了新型近传感计算芯片用于化学物质处理和分类的潜力。未来，此次提出的制造方法有望扩大规模，以开发具有更多电路和传感器的芯片，解决更高级的分类任务。
