北京大學Science子刊：電驅動的單片亞波長等離子體互聯電路

【引言】

近幾十年來，關于制造硅、鍺、II-VI和III-V半導體、納米線以及二維（2D）材料的光電集成電路的研究不斷增加。然而，由于制造工藝和材料品質之間的沖突，單片等離子體互聯網絡結構尚未實現。在這方面，半導體單壁碳納米管（CNTs）具有優異的性能，如：直接帶系、寬帶響應等，為集成電子和光電子學提供了新的研究方向。 這些特征使得CNT在集成電子和光電子學方向具有可觀的發展，主要包括：電驅動發光二極管，PV檢測器和功能性集成電路。

【成果簡介】

近日，北京大學彭練矛教授和張家森教授（共同通訊作者）于Science Advances期刊上發表“Electrically driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits”一文，報道了一種由光伏檢測器、金的條形波導和電驅動的表面等離子激元組成的單片等離子體互聯電路。該方法在提高芯片的吞吐能力方面具有潛在的應用，如：現代計算系統中的數據傳輸中繼器。

【圖文導讀】

圖1：CNTs的電驅動PIC體系

圖2：基于CNT的發射器和SPP源

(A) 五通道CNT發射器的SEM圖，標尺為5μm；

(B) CNT發射器的輸出特性曲線；

(C) CNT發射體的EL光譜及其洛倫茲擬合。a.u.為任意單位；

(D) 集成EL發射強度與電壓偏差關系圖（插圖：不同電壓下CNT發射體的EL光譜）；

(E) 五通道CNT SPP源的SEM圖像。標尺為5μm；

(F) SPP源的輸出特性；

(G) SPP源的EL光譜；

(H) 集成EL發射強度與電壓偏差關系圖（插圖：不同電壓偏差對應的EL光譜）。

圖3：單片CNT PV級聯的SPP檢測器

(A) 五電池級聯的SPP檢測器的SEM圖像；

(B) 探測器的輸出特點（插圖：紅外照射下探測器示意圖）；

(C) V_ds = -1V時，檢測器的傳輸特性；

(D) 不同光照強度下，SPP檢測器的輸出特性；

(E-F) SPP檢測器的PV行為(E)和噪聲譜線(F)。

圖4：電驅動PIC系統的特性

(A-C) 不同傳播長度下，PIC的SEM圖像：d=1mm(A),5mm(B),10mm(C)；

(D) 沿傳播方向的SPP強度的3D FDTD模擬圖；

(E) V_bias=7V時，S1，S2，S3的輸出特性；

(F) 級聯檢測器的光電壓和SPP源電流與傳播長度的關系圖；

(G) 給源施加不同偏壓時，S2的輸出特性圖；

(H) 檢測器光電壓和源電流與施加在源上的電壓偏差的關系圖。

圖5：芯片集成和深亞波長特性表征

(A) PIC中繼器陣列的數字圖像（晶片尺寸為10 mm×10 mm）；

(B-D) 不同放大級別的中繼器陣列（A）的SEM圖像，其標尺分別為250,40,20μm；

(E) PIC中單通道的SEM圖像，標尺為200 nm；

(F) PIC的輸出特性。插圖表示了200 nm寬的Au波導的SPP模式分布；

(G) SPP傳播長度與波導寬度的關系圖。

【小結】

本文展示了一種由電可調SPP源，PV級聯SPP檢測器和Au條形波導組成的單片亞波長電驅動PIC系統。這些元件由相同特征尺寸的CNT通過CMOS兼容的無摻雜技術制成，為實現深波長(~λ/7至λ/95,λ=1340nm)和大規模（20×20 PIC陣列）的等離子體電路構建了理想的平臺。

文獻鏈接：Electrically driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits (Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701456)

本文由材料人編輯部孫雪飛編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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