Crean chips sensores de proximidad compactos mediante la integración 3D de materiales 2D

La integración tridimensional (3D) ha abierto nuevas posibilidades para el desarrollo de circuitos más densos con componentes electrónicos más interconectados.

Los enfoques de integración tridimensional (3D) implican apilar varias capas de circuitos electrónicos, lo que en última instancia produce dispositivos más compactos y eficientes.

Estas estrategias de fabricación de componentes electrónicos pueden reducir tanto el tamaño como el consumo de energía de los componentes electrónicos, al tiempo que mejoran su rendimiento.

Un enfoque de integración tridimensional emergente que se ha demostrado especialmente prometedor es la integración tridimensional monolítica (M3D), que implica la construcción de transistores capa por capa sobre el mismo sustrato en lugar de unir chips individuales.

Recientemente, investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania desarrollaron chips sensores de proximidad altamente compactos mediante la integración tridimensional heterogénea de materiales bidimensionales (2D).

Su artículo demuestra la fabricación de estos chips utilizando estrategias escalables que son compatibles con los procesos de fabricación existentes.

“La industria de semiconductores está adoptando cada vez más la integración M3D como una alternativa a la tecnología tradicional de vías a través del silicio, como una forma de aumentar la densidad de componentes electrónicos apilados y heterogéneos“, escribieron Subir Ghosh, Yikai Zheng y sus colegas en su artículo.

“La integración M3D también puede proporcionar particionamiento a nivel de transistor y heterogeneidad de materiales.

Sin embargo, hay pocas demostraciones de gran superficie de la integración M3D utilizando materiales que no sean de silicio”.

Como parte de su reciente estudio, Ghosh, Zheng y sus colegas se propusieron desarrollar un chip de computación de detección y casi detección basado en electrónica 2D empleando una estrategia de integración M3D.

El chip que crearon integra más de 500 quimiotransistores y más de 500 memtransistores, con interconexiones verticales (vías) de 3 μm de tamaño y a una distancia de 1 μm entre sí.

“Hemos informado sobre la integración heterogénea M3D de materiales bidimensionales utilizando una estructura densa entre vías con una densidad de interconexión (E/S) de 62.500 E/S por mm2“, escribieron Ghosh, Zheng y sus colegas.

“Nuestra pila M3D consta de sensores químicos basados ​​en grafeno en el nivel 2 y circuitos programables basados ​​en transistores de membrana de disulfuro de molibdeno (MoS2) en el nivel 1, con más de 500 dispositivos en cada nivel.

Nuestro proceso permite reducir la proximidad física entre sensores y elementos informáticos a 50 nm, lo que proporciona una latencia reducida en aplicaciones informáticas cercanas al sensor”.

Una ventaja clave del enfoque de integración M3D empleado por los investigadores es que todo el proceso de fabricación se lleva a cabo a temperaturas inferiores a 200 °C.

Esto significa que es compatible con los procesos de integración de final de línea que se utilizan actualmente para fabricar dispositivos basados ​​en semiconductores.

Como parte de su estudio, Ghosh, Zheng y sus colegas utilizaron el chip informático que desarrollaron para codificación química.

En concreto, desarrollaron un sistema de alerta que podría utilizarse para identificar y clasificar diferentes sustancias químicas.

Los quimiotransistores del chip del equipo se expusieron a soluciones de azúcar con diferentes concentraciones y se registraron las señales eléctricas que generaban en respuesta a estas soluciones.

Posteriormente, los memtransistores procesaron las señales generadas por los quimiotransistores, convirtiéndolas en códigos analógicos y digitales.

Los hallazgos de las demostraciones del sistema de alerta del equipo destacan el potencial del nuevo chip informático de detección cercana para procesar y clasificar sustancias químicas.

En el futuro, el enfoque de fabricación propuesto podría ampliarse para desarrollar chips con un número aún mayor de circuitos y sensores, que podrían abordar tareas de clasificación más avanzadas.

Fuente: Nature electronics