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引言

先進(jìn)材料與三維集成技術(shù)的結(jié)合為邊緣計(jì)算應(yīng)用帶來了新的可能性。本文探討研究人員如何通過單片3D集成方式將硒化銦光電探測器與二硫化鉬憶阻晶體管結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算單元之間物理距離小于50納米的緊密集成[1]。

01單片3D集成技術(shù)基礎(chǔ)

三維集成技術(shù)通過垂直堆疊多層半導(dǎo)體器件來增強(qiáng)近傳感器計(jì)算能力。目前存在兩種基本方法：封裝方法和單片集成。封裝方法在封裝內(nèi)組裝獨(dú)立制造的組件，但這種方法存在通孔長度增加、通孔密度受限以及延遲和帶寬性能改善受限等問題。相比之下，單片3D集成采用制造技術(shù)，通過單一統(tǒng)一芯片上的通孔將組件直接堆疊，具有更小的占用面積、降低的寄生效應(yīng)和更好的能源效率。

本文展示的技術(shù)通過集成功能多樣的2D材料推進(jìn)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。上層利用不同厚度硒化銦薄片構(gòu)建的光學(xué)儲(chǔ)備池中的光響應(yīng)變化，下層部署可編程二硫化鉬憶阻晶體管。這些憶阻晶體管將光電流轉(zhuǎn)換為光電壓，隨后由同樣基于二硫化鉬憶阻晶體管的訓(xùn)練讀出線路處理。這種架構(gòu)在垂直堆疊結(jié)構(gòu)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了近傳感器信息處理和內(nèi)存計(jì)算能力。

圖1：3D集成器件堆疊的橫截面成像和表征，顯示位于MoS?憶阻晶體管頂部的In?Se?光電探測器，以及光響應(yīng)特性和憶阻晶體管性能指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)表征揭示了三維堆疊中材料的精細(xì)分層。示意圖和橫截面掃描透射電子顯微鏡圖像清楚地顯示In?Se?光電探測器位于MoS?憶阻晶體管上方，兩者之間由氧化鋁介電層隔開。能量色散X射線光譜映射確認(rèn)了元素分布，銦、硒、鉬和硫的不同層次清晰可辨。對30個(gè)不同硒化銦光電探測器的光響應(yīng)測量顯示響應(yīng)度值范圍從約2安培/瓦特到8500安培/瓦特，反映了不同厚度薄片固有的器件間變化。底層二硫化鉬憶阻晶體管表現(xiàn)出約3.5平方厘米/伏特·秒的場效應(yīng)電子遷移率，亞閾值斜率約為210毫伏/十倍電流變化。

02制造工藝與材料選擇

制造工藝通過保持在180攝氏度的熱預(yù)算范圍內(nèi)來維持與后段工藝的兼容性。這種溫度限制確?？梢蕴砑宇~外層次而不會(huì)損害下層的完整性。單層二硫化鉬薄膜使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在藍(lán)寶石基板上生長，而硒化銦則從塊狀單晶中剝離。順序制造從圖案化局部背柵電極開始，隨后沉積由氧化鋁、二氧化鉿和氧化鋁層組成的浮柵介電堆疊。這種特定堆疊使憶阻晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)非易失性和模擬編程。

材料選擇在系統(tǒng)性能中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。選擇硒化銦是因?yàn)槠渫ㄟ^光電導(dǎo)變化產(chǎn)生光電流的能力，而不是大多數(shù)其他2D材料使用的光柵效應(yīng)。光柵效應(yīng)會(huì)由于陷阱態(tài)和局域電荷的參與而引入復(fù)雜性，例如更長的響應(yīng)時(shí)間和潛在的穩(wěn)定性問題。光電導(dǎo)變化實(shí)現(xiàn)了更快的響應(yīng)時(shí)間和更高的靈敏度，使其更適合需要高速和高保真光檢測的應(yīng)用。此外，硒化銦具有一個(gè)顯著優(yōu)勢，即無論厚度如何都是直接帶隙半導(dǎo)體，這與大多數(shù)其他2D材料不同，后者僅在單層極限下表現(xiàn)出直接帶隙。這一特性使硒化銦比替代材料吸收更多光。

03近傳感器光響應(yīng)校準(zhǔn)

這種三維集成方法最顯著的優(yōu)勢之一體現(xiàn)在管理器件間變化方面。雖然光響應(yīng)的變化對儲(chǔ)備池計(jì)算應(yīng)用來說是有利的，但觀察到的光電流范圍在不同硒化銦薄片上變化了四個(gè)數(shù)量級，這使后續(xù)線路處理變得復(fù)雜。通過將負(fù)載電阻與光電探測器串聯(lián)來將光電流轉(zhuǎn)換為光電壓提供了一種解決方案，但最佳性能需要光電探測器電阻與負(fù)載電阻相匹配。

圖2：使用柵極偏壓調(diào)諧和MoS?憶阻晶體管的非易失性編程實(shí)現(xiàn)近傳感器計(jì)算的光響應(yīng)校準(zhǔn)演示，在具有不同光響應(yīng)特性的器件上實(shí)現(xiàn)一致的光電壓響應(yīng)。

二硫化鉬憶阻晶體管的可編程特性為這一匹配挑戰(zhàn)提供了優(yōu)雅的解決方案。通過調(diào)整施加到憶阻晶體管的柵極偏壓，電阻可以調(diào)節(jié)幾個(gè)數(shù)量級，有效地匹配任何光電探測器的電阻，無論其固有光響應(yīng)如何。對于響應(yīng)度值差異巨大的器件，提取的光電壓對柵極電壓的關(guān)系遵循相似的非單調(diào)趨勢，證明只需調(diào)整偏置條件就可以為每個(gè)光電探測器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配。更重要的是，憶阻晶體管的電導(dǎo)可以通過浮柵堆疊以非易失性方式編程，允許每個(gè)堆疊器件在相同偏置下對相同光激勵(lì)實(shí)現(xiàn)相似的光電壓響應(yīng)。這種能力消除了當(dāng)系統(tǒng)涉及許多器件時(shí)管理每個(gè)器件不同偏置的復(fù)雜性。

浮柵堆疊由氧化鋁、二氧化鉿和氧化鋁層組成，實(shí)現(xiàn)了這種模擬編程能力。二氧化鉿層具有較小的帶隙，在兩個(gè)具有較大帶隙的氧化鋁層之間充當(dāng)電荷陷阱層。編程和擦除操作使用范圍從4到12伏的負(fù)和正背柵電壓脈沖，脈沖寬度為10毫秒。系統(tǒng)展示了跨多個(gè)不同電導(dǎo)狀態(tài)的模擬編程，具有在數(shù)百秒內(nèi)保持的優(yōu)異非易失性保持特性。

04物理儲(chǔ)備池計(jì)算實(shí)現(xiàn)

儲(chǔ)備池計(jì)算代表了處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的強(qiáng)大計(jì)算范式，源自循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架。該方法利用固定的、隨機(jī)連接的非線性單元網(wǎng)絡(luò)將低維輸入數(shù)據(jù)映射到高維空間。其關(guān)鍵優(yōu)勢在于簡化的訓(xùn)練要求：儲(chǔ)備池內(nèi)的輸入權(quán)重和循環(huán)連接權(quán)重都不需要訓(xùn)練。只有將儲(chǔ)備池狀態(tài)映射到輸出的讀出權(quán)重需要使用線性回歸等簡單算法進(jìn)行訓(xùn)練。

圖3：光電儲(chǔ)備池的硬件實(shí)現(xiàn)，顯示In?Se?光電探測器和MoS?憶阻晶體管M3D集成實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備池計(jì)算范式的光學(xué)圖像和線路圖。

三維光電儲(chǔ)備池利用光響應(yīng)的器件間變化構(gòu)建物理儲(chǔ)備池，將單維輸入激勵(lì)映射到高維光電壓輸出。硒化銦光電探測器光響應(yīng)的有限下降時(shí)間提供了儲(chǔ)備池計(jì)算所需的關(guān)鍵"衰減記憶"元素。這種衰減記憶確保儲(chǔ)備池在新輸入到達(dá)時(shí)逐漸忘記先前的輸入，允許通過依賴當(dāng)前和近期過去的輸入來處理時(shí)間信息。讀出線路實(shí)現(xiàn)使用另一組二硫化鉬憶阻晶體管，其電導(dǎo)狀態(tài)被編程為通過訓(xùn)練獲得的權(quán)重。

圖4：使用M3D光電儲(chǔ)備池進(jìn)行股票價(jià)格預(yù)測的演示，顯示不同股票指數(shù)的訓(xùn)練和測試性能以及R2分?jǐn)?shù)，以及對器件數(shù)量和預(yù)測時(shí)間范圍的參數(shù)依賴性。

為了展示有效性，系統(tǒng)處理每日股票指數(shù)數(shù)據(jù)作為輸入時(shí)間序列。500天的紐約證券交易所股票價(jià)格被轉(zhuǎn)換為5秒持續(xù)時(shí)間內(nèi)相應(yīng)的LED電壓脈沖，每天由10毫秒脈沖表示，短于光響應(yīng)下降時(shí)間。前400個(gè)讀出電壓訓(xùn)練簡單回歸模型以確定權(quán)重和偏置，而其余100個(gè)股票價(jià)格測試性能。時(shí)間序列預(yù)測取得了優(yōu)異結(jié)果，紐約證券交易所的決定系數(shù)為0.88，納斯達(dá)克為0.83，道瓊斯工業(yè)平均指數(shù)為0.93，標(biāo)準(zhǔn)普爾指數(shù)為0.86。

預(yù)測準(zhǔn)確度隨儲(chǔ)備池節(jié)點(diǎn)數(shù)量（對應(yīng)堆疊光電探測器-憶阻晶體管對的數(shù)量）增加而提高，但超過四個(gè)器件后改善相對較小。這種適度的硬件要求使儲(chǔ)備池計(jì)算對邊緣器件實(shí)現(xiàn)特別有吸引力。系統(tǒng)還可以提前幾天預(yù)測股票價(jià)格，更長的預(yù)測時(shí)間范圍需要更多節(jié)點(diǎn)來維持準(zhǔn)確性，這通過系統(tǒng)探索預(yù)測時(shí)間范圍和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同組合得到證明。

05技術(shù)意義與應(yīng)用展望

這項(xiàng)演示在硅之外的功能多樣材料的異質(zhì)3D集成方面具有重要意義。傳感器和計(jì)算單元之間小于50納米的物理距離超過了當(dāng)前最先進(jìn)的封裝解決方案，實(shí)現(xiàn)了近傳感器信息處理的優(yōu)勢，包括更好的光響應(yīng)校準(zhǔn)和更高的速度。系統(tǒng)成功地在單個(gè)芯片上結(jié)合了光學(xué)傳感、通過可編程憶阻晶體管的模擬計(jì)算以及內(nèi)存讀出線路，所有這些都保持在與標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容的熱預(yù)算范圍內(nèi)。

該方法解決了傳統(tǒng)硅技術(shù)的局限性，后者缺乏適合儲(chǔ)備池計(jì)算應(yīng)用的固有變化性和衰減記憶。雖然先前使用憶阻器、光子儲(chǔ)備池或自旋電子儲(chǔ)備池的演示提供了優(yōu)于硅電子學(xué)的優(yōu)勢，但大多數(shù)仍需要片外讀出線路。這個(gè)完全集成的系統(tǒng)在同一芯片上展示了儲(chǔ)備池和讀出線路，在三維架構(gòu)中利用了近傳感器信息處理和內(nèi)存計(jì)算能力。以最少的硬件和訓(xùn)練要求成功演示復(fù)雜時(shí)間序列預(yù)測，展示了功能多樣材料的異質(zhì)三維集成在邊緣智能應(yīng)用中的廣泛機(jī)會(huì)。