物理电子学研究所彭练矛教授课题组在碳纳米管等离激元集成回路研究中取得重要进展

新兴的低维半导体材料是潜在的理想电子和光电材料,能够满足在片三维光电集成的需求。另一方面,等离激元在亚波长尺寸光操控方面具有优异性能,可解决电子学器件和光子学器件特征尺寸不兼容的难题,故在亚波长光电集成领域备受瞩目。

物理电子学研究所彭练矛教授课题组在碳纳米管等离激元集成回路研究中取得重要进展。2017年10月20日,基于上述工作的学术论文以《电驱动单片亚波长等离激元回路》为题,在线发表于《科学》子刊《科学进展》;前沿交叉学科研究院博士研究生刘旸为论文第一作者,彭练矛与物理学院张家森教授为通讯作者。同日,电子电气工程师学会旗舰期刊《科技纵览》发表了题为《碳纳米管大力推动等离子体集成回路发展》的亮点报道。

必威,北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授课题组提出利用“金属工程”的策略,通过基于金设计孔洞状的底层等离激元结构来实现在片光操控;与此同时,由于金膜具有纳米量级的平整度,满足构建顶层有源器件对基片平整度的要求,从而避免机械抛光工艺,简化了制备流程。在制备等离激元结构的同时,采用金制备所有的互联线以及静电栅结构。由于低维半导体材料具有原子层尺寸的厚度,故而器件极性不适于采用离子注入的方式进行调控。这时,通过调节接触金属的功函数来实现对器件极性的调控,就成为理想选择,即利用高功函数和低功函数的不同组合来实现P型金属氧化物半导体、N型金属氧化物半导体和二极管,从而能够利用低温制备的工艺特性和CMOS兼容的方式来实现三维集成等离激元器件与电子器件;其功能体现为底层无源器件实现光操控和信号传递,上层有源器件实现信号接收和处理。文中分别展示了具有单向光操控功能的接收器、波长-偏振复用器及其与CMOS的三维集成回路。以上集成结构为“后摩尔时代”的超越互补金属氧化物半导体架构提供重要参考。

在过去的数十年中,以集成电路为基石的信息技术取得了举世瞩目的发展。然而,随着IC技术将达到10
nm的技术节点,由于受到来自物理定律和成本的限制而难以继续提升,学术界和业界一直在探索超越互补金属氧化物半导体架构等方式,以期推动信息技术的进一步发展。

2018年12月13日,基于上述工作的学术论文以《三维集成等离激元学与纳电子学》为题,在线发表于《自然·电子学》;前沿交叉学科研究院博士毕业生刘旸为论文第一作者和通讯作者,彭练矛与物理学院张家森教授为共同通讯作者。这是关于三维集成电子器件与等离激元器件方法的首次公开报道。相关工作得到国家重点研发计划“纳米研究”重点专项和国家自然科学基金的资助。

北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授课题组系统地发明了一种可完美兼容等离激元结构的无掺杂技术。具体说来,首先采用钯金属和钪金属分别实现与碳纳米管的p型和n型接触,进而构建碳纳米管二极管和场效应晶体管;与此同时,采用金来构建等离激元波导。一方面,采用对称电极的高性能碳管晶体管可与Au波导集成形成在片电驱动的表面等离激元源。另一方面,Au波导可以通过结合虚电极技术构建光伏形式的SPP探测器;虚电极技术的引入可有效提高在片SPP探测器的信噪比。采用同样的工艺,还可同时在基底上制备电子器件、光电器件以及无源的等离激元组分,从而克服传统材料中电子器件与光电器件制备工艺不兼容的问题。在此基础上,通过在片利用无掺杂技术集成亚波长等离激元波导,实现完整的等离激元回路,这是电驱动等离激元回路的首次实现;区别于传统的光互连过程,利用等离激元作为传播媒介的互联过程可打破光学衍射极限,为后摩尔时代的beyond
CMOS架构提供重要参考。

原文链接:

等离激元在亚波长尺寸光操控方面具有优异特性,故在亚波长光电集成领域备受瞩目;如何实现亚波长尺度的光电集成架构成为当下研究热点。由于具有原子量级的小尺寸、高迁移率、平均自由程长、宽光谱响应等诸多优势,碳纳米管被认为是“后摩尔时代”的理想材料,有望用来实现片上的亚波长尺寸光电集成。目前尚未发现碳管亚波长等离激元集成架构的相关研究报道。

2015年,国际半导体技术发展路线图委员会宣布摩尔定律即将走到尽头,超越硅基互补金属氧化物半导体技术的需求与日俱增。在众多技术提案中,光电集成具有高带宽和低传输延迟的特性;三维集成具有提高集成密度和能效的潜在优势。因此,三维光电集成结构可兼具光电集成和三维集成的亮点。然而,由于材料和加工方式不兼容,难以基于传统材料,以相同特征尺寸在片三维集成电子学和光子学器件。

以上研究得到国家重点研发计划、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金等资助。

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