未来电子系统对于多功能集成芯片的需求，使得器件的异质集成技术越来越受关注。物联网应用的日渐普及使得物理终端需要具备环境感知、数据存储、信息处理和无线收发的能力。碳纳米管作为新兴低维半导体材料，可用于制备高性能的CMOS晶体管，展现了高效能逻辑计算、高灵敏传感、毫米波无线通信等方面的应用优势；亦可用于实现高灵敏、集成化的传感器，展现出在生物、化学、气敏、压力等传感器领域的应用潜力。基于碳纳米管的平面传感-界面电路系统在硅和柔性衬底表面已经实现了对温度、汗液等环境信息的在片感知和运算能力。相对于平面集成架构，单片三维集成架构将为感存算一体集成芯片提供更理想的技术支持：层间介质与层间互联通孔在有效保护底层电路稳定性的同时，能够提供低延迟、高带宽的层间通信，并且进一步兼容存储层、无线传输层的集成需求。此前，由于碳纳米管单片三维集成技术的不成熟，高性能的碳纳米管感算一体集成芯片尚未得到展示。
js金沙3983总站、碳基电子学研究中心张志勇教授课题组，利用功能金属修饰的碳管晶体管作为上层气体传感单元，高性能CMOS压控振荡器电路（VCO）作为底层界面电路与信号转换单元，实现了单片三维集成架构的多功能气体探测系统（图1）。通过工艺优化，实现了栅长300 nm驱动匹配的碳管高性能CMOS顶栅晶体管，构建出性能均匀、电压响应达0.46 GHz/V的压控振荡器单元（图2）。并且深入探索了单片三维层间工艺对于底层CMOS晶体管与电路的稳定性影响，实现了底层VCO电路输出频率与功率低于12%和15%的工艺损失（图3）。研究团队在硅晶圆表面批量制备了48个碳管单片三维集成气体传感系统，在传感层，沟道未掺杂/掺杂Pd颗粒的碳管晶体管分别作为非线性负载电阻与氢气传感器，将8-128 ppm浓度的氢气产生的电导响应转化为连续变化的电压，通过层间通孔传输至底层控制栅极，从而产生变化的高频振荡信号作为系统的整体输出。在不同氢气浓度饱和态下系统输出频率的实时测试中，系统能够产生超高线性度（r2=0.993）的氢气浓度-输出频率响应，相对响应值超过了上层传感器的电导响应（图4），在5 V的工作电压下能够实现0.78~1.11 GHz的高频信号输出，将工作电压降低至3 V，传感系统动态功耗显著降低，有利于构建低功耗、交叉敏感的气体探测系统。
相关研究成果以“用于智能感知芯片的单片三维集成碳纳米管电路与传感器”（Monolithic Three-Dimensional Integration of Carbon Nanotube Circuits and Sensors for Smart Sensing Chips）为题，5月31日在线发表于ACS Nano。js金沙3983总站2018级博士研究生樊晨炜为第一作者，碳基电子学研究中心肖梦梦助理研究员、js金沙3983总站张志勇教授为共同通讯作者。
上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03190
图1：碳纳米管单片三维集成气体传感系统示意图
图2：底层碳纳米管CMOS晶体管与压控振荡器电路性能与表征
图3：单片三维层间工艺前后底层CMOS晶体管与电路的性能变化
图4：单片三维集成氢气探测系统的表征与实际测试性能
