研究背景
物联网终端与智能自主系统的大规模普及带来了全新的能源难题。这类设备分布范围广、需不间断实时运行，同时要持续联网传输数据，因此具备脱离外部能源独立工作的能力至关重要。在偏远、能源供给受限场景下，依靠传统电池供电成本高昂、可行性极低。随着终端设备数量增多、功能不断升级，整体能耗持续攀升，亟需降低单设备功耗，并为物联网网络开发可持续供能方案。
光能（光伏采集）、热能（热电发电机）、机械运动（压电材料）、射频电磁波（射频能量采集）等环境能源均可被回收利用，为设备就地供能。与此同时，超低功耗电子器件的研发对削减系统总能耗起到关键作用。近传感器计算等新型硬件架构可在传感端完成本地数据分析，无需将原始数据传输至中央处理器，同步降低传输时延与能耗。
现有集成方案多采用异构集成：各类功能薄膜制备于同一基底，但薄膜之间物理相互独立。该方案虽具备实用性，却需要复杂互连结构与键合工艺，最终导致设备体积、重量、功耗同步上升。与之相比，单片三维集成工艺可在单颗芯片内逐层垂直堆叠各类功能薄膜，省去外部互连结构，实现高集成度垂直集成电路。单片三维集成中层与层之间互连通路更多、层间纳米级近距排布特性，能够缩短数据传输时长、进一步降低功耗。
研发适配低功耗传感器与运算单元的新型功能材料，对削减系统总功耗同样不可或缺。硅虽仍是现代微电子的核心基底材料，但受物理极限与性能瓶颈制约，难以满足下一代物联网终端对小型化、低功耗、多功能集成的需求。石墨烯、二硫化钼、二硒化钨等二维材料与碳纳米管具备载流子迁移率高、柔性好、表面传感灵敏度高等优势，是制备低功耗物联网传感器与晶体管的理想材料。
即便器件功耗已降至极低水平，物联网终端仍会面临能量供给瓶颈。目前边缘设备普遍搭载电池，但现有电池难以兼顾长续航、低成本、轻量化与环保性多重需求。因此必须集成片上光伏等能量采集器件，让系统自主捕获环境能源，实现自驱动运行、提升系统可持续性。
研究内容
为此，宾夕法尼亚州立大学Saptarshi Das等团队在Nature Electronics期刊上发表了题为“Monolithic three-dimensional integration of heterogeneous electronics for self-powered sensing and processing”的最新论文。本文提出通过单片三维集成工艺制备自驱动集成电路：顶层为石墨烯化学传感器，中层为 n 型单层二硫化钼、p 型双层二硒化钨互补逻辑电路，底层为硅光伏组件，传感层、运算层、能量采集层之间的垂直间距可控制在 50 纳米以内。该单片三维集成电路可识别不同化学溶液，并为每种溶液输出专属数字编码，整套系统完全依靠硅光伏组件采集的环境光驱动。本文采用微缩器件与高密度通孔结构，实现电路低功耗、小面积、高互连密度特性。这种融合多种功能材料单片集成的自驱动三维集成电路，为搭建可持续、自主运行的近传感器 / 边缘运算系统提供了可行路径。
图文导读
（1）该研究首次实现多功能异质材料单片三维集成电路集成，创新性构建出三层垂直堆叠的自驱动微电子系统，顶层为石墨烯化学传感层、中层为二维材料互补逻辑运算层、底层为硅光伏能量采集层，突破了传统异构集成的技术局限，成功得到可完全依托环境光自主运行、兼具传感、运算与自供能功能的一体化芯片。
（2）实验通过采用单片三维集成工艺，摒弃传统复杂外部互连与键合结构，大幅压缩器件体积，将芯片层间垂直间距降至50纳米，同时实现高密度数据与供电通孔集成，有效缩短数据传输时延、降低系统整体功耗，解决了传统物联网设备体积大、功耗高、集成度低的问题。
（3）实验通过适配石墨烯、二硫化钼、二硒化钨等高性能二维低功耗材料，搭配微缩化器件设计，显著提升芯片传感精度与运算效率，使器件可精准区分多种化学溶液，并自动生成对应专属数字编码，实现传感识别与数据输出的全自主、低功耗运行。
（4）该研究通过片上光伏模块集成环境光采集功能，摆脱传统电池供电依赖，解决了物联网边缘设备续航、成本与环保性难以兼顾的痛点，为可持续、自主化的近传感器计算与边缘智能系统研发提供了全新技术路径。
图 1 | 面向自供电微电子的异质组件M3D集成。(a) 自供电M3D IC示意图，能量收集、计算与传感模块垂直堆叠。(b,c) 位于第1层外围的硅PVM光学图（b）与近传感计算单元的SEM图（c）。(d) HAADF-STEM低倍拼接截面图，标出电源/数据通孔、石墨烯传感器、WSe₂ PMOS与MoS₂ NMOS。(e–h) 对应的高倍HAADF-STEM图与EDS元素分布。
图 2 | 第1层用于收集环境光的硅PVM。(a) 光电探测器示意图，采用非对称Pt/Cr接触。(b) 能带图，示意光生载流子在内建场作用下的运动。(c) 代表性硅PD在暗态及不同光照（Pin）下的I–V特性。(d,e) 由(c)提取的开路电压VOC、短路电流ISC与最大输出功率Pout,max随Pin的变化。(f,g) VOC与ISC随串联（N）、并联（M）PD数目的变化。(h) PD串并联阵列示意图。(i,j) 整个阵列的I–V特性及不同Pin下的ISC、VOC。
图 3 | 低功耗互补逻辑电路设计。(a,b) 代表性单层MoS₂（a）与双层WSe₂（b）晶体管的转移特性。(c,d) 比较器的电路图（c）与伪彩SEM图（d）。(e) 比较器在不同外加VDD下的输出转移特性。(f–h) 静态功耗、开关能量与开关延迟随VDD的变化。(i) 由硅PVM在不同Pin下供电时的输出特性。(j–l) 相应的静态功耗、开关能量与开关延迟随Pin的变化。
图 4 | 由PVM供电的石墨烯化学传感器。(a) 由GC1、GC2两个串联石墨烯晶体管构成的传感器示意图。(b) 石墨烯沟道与溶液界面形成EDL并调制沟道电导。(c) 不同沟道宽长比的石墨烯晶体管示意。(d,e) 不同WCH/LCH（0.01至2.5）石墨烯晶体管的光学图（d）与输出特性（e）。(f,g) 在环境光供电下，WCH/LCH = 0.01的传感器对红酒、去离子水、盐水与糖水的实物图（f）与随时间测得的VGR（g）。
图 5 | M3D IC中的自供电近传感计算。(a) 由石墨烯化学传感器与四个比较器构成、由片上硅PVM供电的近传感计算模块电路图。(b) 四个比较器（VCOM = 0.2、0.4、0.6、0.8 V）的输出转移特性。(c) 环境光下对红酒、盐水、去离子水与糖水的数字化输出。
结论展望
研究证实，依托单片三维集成技术垂直堆叠传感、运算、能量采集多功能层，可有效突破传统异构集成工艺结构繁琐、功耗偏高的瓶颈，证明纳米级层间紧凑集成是实现芯片小型化、低时延、高密度集成的有效途径。同时，研究验证了二维材料与硅基材料异构融合的巨大应用价值，依托二维材料高灵敏、低功耗的特性，可兼顾精准传感与高效逻辑运算。此外，将片上光能采集与芯片功能一体化设计，摆脱了传统电池供电的局限，为解决边缘设备续航不足、能耗较高的行业痛点提供了新思路，也为自主可持续的近传感器计算、智能遥感等前沿领域的微型化自驱动器件研发奠定了重要理论与技术参考。
该工作发表在Nature Electronics上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41928-026-01624-1
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