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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等离激元集成回路研究中取得重要进展

发布时间:2017-10-29

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在过去的数十年中,以集成电路(integrated circuit, IC)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(beyond CMOS)架构等方式,以期推动信息技术的进一步发展。

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(13 nm)、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。

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(Pd)金属和钪(Sc)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(Au)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(surface plasmon polariton, SPP)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。

20171020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》(Electrically driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits)为题,在线发表于《科学》子刊《科学进展》(Science Advances);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》(IEEE spectrum)发表了题为《碳纳米管大力推动等离子体集成回路发展》(Carbon nanotubes make big push in plasmonic circuits)的亮点报道。

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。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/3/10/e1701456

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