北京大學彭練矛組nature子刊：基于碳納米管的三維單片光電集成系統

【引言】

通用功能光電集成電路（OEIC）相對于純電氣或光電路，不僅可以利用光傳輸的高帶寬和并行性，還可以利用電輸入輸出隔離。過去幾十年，使用III-V，II-VI，Ge，半導體納米線和新興二維（2D）材料實現光電有源或無源功能模塊。由于常規半導體電子學和光子學的制造存在沖突，而單片OEIC需要多種材料，將這些具有不同功能的高集成密度3D結構材料和模塊組合在一起具有很大挑戰。此外，在光纖通信中，由于不同波長的有限模式，最高帶寬受到限制。

因此，通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的低溫制造工藝實現單個材料單片OEIC是非常重要的，以便以低成本實現無限帶寬3D功能。半導體單臂碳納米管（s-SWCNT）是具有1-3nm超薄體、極高載流子遷移率、0.2～1.5eV寬帶響應的直接帶隙材料; 這些特征使得s-SWCNTs非常適合用于電子和光電器件以及3D結構的多層堆疊。

【成果簡介】

近日，北京大學納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛（通訊作者）課題組在Nature Communication上發表文章“Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system ”。文章報道了一種電驅動碳納米管片裝三維光電集成電路，通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的低溫無摻雜技術，利用碳納米管(CNT)制造片裝電驅動小型OEIC的高能納米電子和光電子系統，如光伏接收器、電驅動發射器和片裝電子電路，為實現單片三維光電集成電路提供無縫集成平臺，實現多樣化的功能，如異構AND門。這些電路可以垂直縮小至30nm以下，室溫下以光伏模式工作，各功能層之間可以并行光通信，例如底層數字電路和頂層存儲器通過使用發射機/接收機陣列映射數據得到證明，該發射機/接收機陣列可以作為下一代節能信號處理提供范例而被擴展。

【圖文導讀】

圖1光伏CNT接收器的結構和性能

（a）由第一級串聯線性放大器和第二級模擬開關組成光電CNT接收器的示意圖

（b）由9單元級聯光電檢測器和叉指式n-FET（場效應晶體管，比例尺，10μm）構成的真實光接收器的假彩色SEM圖像

（c）級聯第一級放大器的光響應

（d）第一級放大器與放大器級數的線性度

（e）具有不同偏置電壓CNT膜n-FET的傳輸特性集合

（f）用V_gs測量n-FET輸出特性，其變化范圍為2～-1.5V， 插圖是頂柵n-FET結構

（g）光電接收器在黑暗和各種入射IR照度下輸出特性為5.78?0.013Wcm²

（h）接收機的光電流響應度，插圖是相應的等效電路圖

（i）接收機的動態時間跟蹤。（功率密度：5.78Wcm-2，波長：1800nm，光源：NKT超連續光譜激光）

圖2 CNT變送器的結構和性能

（a）由數字CNT n-FET（場效應晶體管）和發射極組成的CNT變送器器示意圖

（b）CNT變送器的假彩色SEM圖像，由一個叉指式n-FET和發射極組成

（c）EL光譜和洛倫茲擬合

（d）作為電壓偏置函數集成的IR發射強度

（e）相應的EL和光致發光光譜

（f）有適度V_ds = 6V CNT變送器傳輸特性，插圖是相應的等效電路圖

（g）變送器的可調諧和可控IR發射，兩個EL發射光譜分別對應于V_gs = -2V和5V（h）變送器的時間跟蹤

圖3異質光電邏輯門

通過具有光或電輸入和輸出的光電接收器實現的與門,左插圖是等效電路，右插圖是確定輸入和輸出邏輯0和1狀態的真值，由b所示的輸出特性決定。（b）光電接收器與門輸出特性（c）與門的波形（d）通過具有電輸入和光輸出的變送器實現的與門，左插圖是對應于e所示輸出特性的真值表。右插圖是等效電路（e）變送器與門的輸出特性（f）與門的波形。

圖4 片裝垂直近場OEIC

（a）垂直近場OEIC的示意圖，由頂層發射器和底層級聯檢測器組成

（b）垂直OEIC的SEM圖像（比例尺，10μm）

（c）頂層變送器的EL光譜

（d）底層光伏檢測器的相應輸出特性

（e）底層檢測器的光電壓與頂層CNT變送器的照明功率的關系,插圖是a的前視圖

（f）3D OEIC的動態時間跟蹤

（g）2ⅹ2垂直平行傳輸陣列的光學圖像（比例尺，50 mm）,每個白色圓圈表示活動的CDM通道區域

（h）2ⅹ2 CDM映射陣列的相應并行傳輸映射結果

【小結】

?這項工作設計一個單片3D OEIC系統，由光電接收器，電驅動變送器和CMOS信號處理電路陣列組成，這些器件都是利用碳納米管通過CMOS兼容的無摻雜技術制造的，通過異構門（如AND門）實現器件的多功能。 這項工作為層疊功能層（例如微處理器層和存儲層）之間的并行數據通信提供了不同的范例，當使用nⅹn變送器/接收器陣列時，可能得到高達10n² Gbps層間數據通信速度。

文獻鏈接：Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system(Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/ncomms15649)

本文由材料人編輯部江銀珠編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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