基于二维半导体的设计-技术协同优化实现高线性度闪存模数转换器及其在物联网与健康监测中的应用潜力

本综述系统介绍了通过二维半导体（2DSC）材料与设计-工艺协同优化策略实现的高线性度闪存型模数转换器（Flash ADC）突破。研究团队通过优化接触结构与退火工艺，显著提升器件线性度与运行速度，最终实现差分非线性度（DNL）0.072 LSB、积分非线性度（INL）0.128 LSB的超高性能指标。该技术为物联网（IoT）终端设备、可穿戴医疗监测及边缘计算系统提供了低功耗（仅3.36 μW）、高稳定性的信号转换解决方案，推动二维半导体在生物传感器与健康监测领域的集成应用。

　　

Highlight

通过基于二维半导体的设计-技术协同优化实现高线性度闪存ADC

引言

混合信号电路（例如模数转换器ADC）的制造常常具有挑战性，因为需要同时集成数字和模拟电路。数字电路中的逻辑信号通常仅以高电平和低电平电压为特征，电流和电压的瞬态变化对最终逻辑输出的影响通常可以忽略不计。因此，开关速度、功耗和器件的时序控制是数字电路的关键指标。相反，模拟电路处理连续变化的信号，要求电压和电流的线性度具有更高精度，因此需要对器件参数进行更严格的控制。在现代世界中，ADC作为连接物理-数字领域的关键接口，将各种模拟信息（如温度、湿度和压力）转换为机器可处理的数字数据。这种转换实现了数字处理单元与模拟组件（包括传感器、存储单元和通信模块）之间的高效通信，如图1a所示。ADC的线性度和稳定性对于物联网（IoT）、自动驾驶和边缘计算等应用至关重要，这些应用需要精确可靠的数据采集[[1], [2], [3], [4], [5]]。

非硅半导体材料因其灵活性、低功耗和线后端（BEOL）兼容性而对物联网具有重要意义，满足了物联网设备对紧凑性和能效的要求。在这些平台上单片实现模拟电路对于传感器和存储器等特定应用具有潜力。已有研究尝试使用替代非硅基薄膜晶体管（TFT）技术（如氧化物半导体和有机半导体TFT（OTFT））实现ADC电路[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。这些技术在柔性集成方面具有优势，但在广泛采用之前必须克服与材料稳定性和电路可靠性相关的挑战。例如，使用这些技术制造的晶体管的阈值电压（V_th）不稳定性可能限制ADC性能，特别是在功耗和线性度方面[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。

与氧化物和有机TFT相比，二维半导体（2DSC）具有原子级、无悬挂键的界面，确保了优异的电荷传输特性，同时保持了器件稳定性和互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性[[22], [23], [24], [25]]。2DSC的最新进展展示了在晶圆级合成[[26], [27], [28], [29]]和大规模集成方面的显著进步，覆盖了从数字/模拟电路到存内计算和传感计算的应用[[30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]]。该领域加速发展的主要归因于2DSC可以获得与绝缘体上硅（SOI）类似的好处，包括增强的静电控制和有效缓解短沟道效应、闩锁效应和体效应等关键问题[[41], [42], [43], [44]]。通过与现有集成电路技术协同，2DSC还为物联网终端智能设备开辟了新的可能性。例如，将2DSC传感器与外围读出电路集成不仅可以有效提高数据采集效率，还可以降低传感系统的整体功耗[[45], [46], [47], [48], [49]]。先前的研究已经实现了关键的模拟电路组件，如运算放大器，并开发了使用二维半导体的可重构模拟计算硬件[50,51]。这些工作证实了基于二维半导体的模拟电路的可行性，并展示了其多样化的应用潜力。然而，制造工艺和电路设计对二维模拟电路性能的综合影响尚未深入分析，二维半导体对模拟电路的潜在优势也未得到充分研究。尽管已经展示了基于2DSC的ADC电路原型，但其性能尚未经过严格评估，且基本的编码功能仍有待完成。这一限制进而阻碍了2DSC传感器与外围模块（包括但不限于ADC）的单片集成。

本研究成功使用微米级二维顶栅NMOS晶体管工艺开发了全二维集成的3位闪存ADC电路。通过优化接触结构，显著增强了器件的线性度和电路的运行速度。采用退火工艺以最小化性能波动，确保长期运行可靠性。在设计阶段，对模拟和数字模块进行了细致的结构选择和适配。离散时间比较器设计有效缓解了工艺变化的影响。这种涵盖材料选择、工艺改进和电路设计的全面协同优化策略确保了ADC的稳定性和精度。与使用微米级非硅基TFT工艺的ADC电路相比，所开发的电路表现出更小的非线性误差，差分非线性度（DNL）和积分非线性度（INL）的最大绝对值分别为0.072和0.128最低有效位（LSB），实现了2.6的有效位数（ENOB），并保持了仅3.36 μW的极低功耗。这一成就为2DSC在先进信号处理系统中的应用提供了宝贵的见解和实用的技术途径。

章节片段

晶圆级MoS₂的合成

单层MoS₂的合成通过常规化学气相沉积（CVD）工艺进行[52]。在典型过程中，一个四英寸蓝宝石衬底放置在石英管的下游。MoO₃粉末（Alfa Aesar, 99.95%）和硫粉（Alfa Aesar, 99.999%）放置在不同的温控区。粉末分别在650℃和180℃下加热，氩气作为载气。在大气压下，连续的单层MoS₂

在4英寸MoS₂晶圆上制造MoS₂ ADC

本工作提出的基于2DSC的ADC采用并行（闪存）结构[[53], [54], [55]]，其电路示意图和相应的SEM图像如图1b所示。电路通过电阻分压网络将待量化的电压范围分为2³等份，支持每位