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物理电子学研究所彭练矛教授课题组在碳纳米管三维光电集成研究中取得重要进展

作者:澳门葡亰娱乐场手机版    发布时间:2019-12-02 22:29     浏览次数 :94

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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。

集成电路是新一代信息技术产业的重要组成部分。过去数十年间,按照摩尔定律的预测,随着晶体管尺寸不断缩减,芯片的功能越来越强大、集成度越来越高;然而,随着接近10 nm的技术节点,因受到物理定律、成本等制约而很难进一步提升。2015年,国际半导体技术发展路线图委员会正式宣布摩尔定律将走到尽头,信息技术进入后摩尔时代。学界和业界一直在探索超越互补金属氧化物半导体架构的方式,片上光互联和三维集成架构成为研究热点之一。

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。

碳纳米管具有尺寸小、高迁移率、平均自由程长、宽光谱响应等诸多优势,有望实现片上的三维光电集成,因此被认为是后摩尔时代的理想沟道材料,在电子和光电子器件中得到广泛研究,然而迄今未见碳管光互连和三维集成架构的相关研究报道。

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。

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在碳纳米管电子学领域发展了高性能碳管电子、光电子器件的无掺杂制备方法,利用对称电极制备高性能碳管晶体管,利用非对称电极实现碳管光电二极管和发光二极管,与此同时,采用相同工艺在基底上制备电子和光电子器件,克服了传统材料中电子与光电子器件制备工艺不兼容的难题,通过引入“虚电极”的光伏倍增效应,有效提高碳管光电二极管的开路电压输出,从而实现了对后级晶体管器件的静电控制。

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