面向光电储备计算的功能多样化二维材料三维集成新突破

《Nature Communications》：3D Integration of functionally diverse 2D materials for optoelectronic reservoir computing

本研究针对边缘智能设备中传感与计算分离导致的延迟高、能效低等问题，开展了基于In2Se3光电探测器与MoS2记忆晶体管的三维集成研究。通过单片三维集成技术将传感器与计算单元间距缩小至50纳米，实现了光响应校准优化和储备计算功能，为时间序列预测提供了硬件解决方案，推动了近传感计算架构的发展。

　　

随着物联网和边缘计算的快速发展，如何在资源受限的终端设备上实现高效智能处理成为重要挑战。传统架构中传感器与计算单元分离导致数据频繁传输，产生高延迟和能耗。虽然三维集成技术能通过堆叠器件提升集成度，但现有封装方案仍存在互连长度长、密度低等问题。更关键的是，大多数系统依赖硅基技术，难以同时满足非线性响应、记忆特性和可变性等储备计算的特殊需求。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，宾夕法尼亚州立大学Saptarshi Das团队创新性地提出了一种三维光电储备计算系统。该系统通过单片三维集成技术将二维材料In₂Se₃制备的光电探测器与MoS₂记忆晶体管垂直堆叠，实现了传感器与计算单元间距小于50纳米的紧密集成。

研究团队采用金属有机化学气相沉积技术生长晶圆级MoS₂薄膜，并通过机械剥离法制备不同厚度的In₂Se₃薄片。利用原子层沉积技术制备氧化铝/氧化铪介电栈作为浮栅结构，实现了记忆晶体管的模拟编程和非易失性存储特性。通过扫描透射电子显微镜和能量色散X射线光谱对三维集成结构进行表征，验证了异质结面的质量。

M3D集成In2Se3光电探测器与MoS2记忆晶体管

研究团队首先成功实现了In₂Se₃光电探测器与MoS₂记忆晶体管的三维堆叠。扫描透射电子显微镜图像清晰显示了各功能层的垂直结构，能量色散X射线光谱证实了元素分布的准确性。30个不同In₂Se₃光电探测器表现出四个数量级的响应度变化，这种固有变异性为储备计算提供了理想的物理基础。100个MoS₂记忆晶体管表现出良好的均匀性，场效应迁移率中值为3.5 cm²/Vs，亚阈值摆幅为210 mV/dec。

近传感计算实现光响应校准

针对光电探测器响应度差异大的挑战，研究团队利用MoS₂记忆晶体管的可编程特性实现了动态校准。通过调节栅极电压或编程 conductance状态，成功将不同响应度的光电探测器输出校准到相同电压范围。这种方法的优势在于无需改变器件物理尺寸即可实现负载匹配，且能有效补偿器件老化引起的光响应漂移。

三维光电储备计算用于时间序列分析

研究团队构建了包含六个In₂Se₃/MoS₂器件对的光电储备计算系统。该系统利用光响应的衰减特性实现"渐消记忆"，将一维光强度信息映射到高维空间。在股票价格预测任务中，该系统对纽约证券交易所数据的预测精度达到R²=0.88，纳斯达克和道琼斯指数预测精度分别为0.83和0.93。研究表明仅需四个节点即可实现有效预测，体现了硬件实现的高效性。

该研究首次实现了全集成二维材料光电储备计算系统，突破了传统硅基技术的限制。通过将传感、存储和计算功能在三维空间紧密集成，为边缘智能设备提供了低延迟、高能效的解决方案。这种异质集成方法为未来多功能集成系统开辟了新途径，特别是在时间序列处理、实时决策等边缘计算场景具有广泛应用前景。研究展示的材料固有变性和可编程特性相结合的策略，为新型神经形态计算硬件设计提供了重要借鉴。