三维光电子集成研究上的重要进展

近几年，硅基集成电路的速度遭遇瓶颈、停滞不前。解决的办法之一是引入光子学器件，部分取代电子学集成电路中的信号处理和互联器件。这就要求光子学器件具有像电子学集成那样的小尺度和三维集成能力，同时具有和电子学集成兼容的制备工艺。这些要求使得光电混合集成面临巨大的挑战，是一个世界性的难题。

光学所张家森教授团队与信息科学学院彭练矛教授团队合作，提出了基于表面等离激元和碳纳米管的三维光电混合集成系统。该系统与现有的COMS制备工艺兼容，可以实现光子学和电子学的三维集成和互联，为解决集成电路的速度瓶颈提供了一种方法。他们演示了几种集成回路，包括在片光操控回路、波长和偏振复用回路和具有COMS信号处理电路的集成模块。

图1. 集成等离子体增强检测器与碳纳米管(CNT)互补金属氧化物半导体(CMOS)信号处理电路。 a. 3D集成电路示意图，包括底层的被动WFSAs和金属连接线，中间层的HfO2介电层和Au交叉层连接线，以及顶层等离子体接收器和CNT CMOS信号处理电路。 b. 在λ=1200 nm照明下的等离子体增强无阻挡双极二极管(BFBD)和正常BFBD的输出特性。 c. La=320 nm SA的电场模式。 d-e. CMOS的传输(d)和输出(e)特性。 f. CMOS(f)和3D集成电路的VTC曲线(蓝色线为CMOS，红色线为3D集成电路)。插图是3D集成电路的相应等效电路图。 g-i. 深亚波长模块的统计性能指标，包括BFBD的光电流(g)和光电压(h)，以及CMOS的导通电流(i)。

这种三维集成系统的优点包括： 1. 使用低温COMS兼容制备工艺，可以在单片集成回路中集成光子学模块、电子学信号处理系统和存储系统； 2. 利用具有原子厚度的碳纳米管材料以及金属工艺，使得光子学集成和电子学集成在材料上兼容； 3. 基于表面等离激元使得光子学器件尺度可以和电子学器件尺度相近，便于集成； 4. 碳纳米管的工作波段可以覆盖整个通讯波段，这是硅材料无法做到的； 5. 光电探测器工作于光伏模式，可以减小能耗。

该工作是首次利用原子厚度材料实现三维光电混合集成，可以实现更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同时，有可能解决电子学集成回路在速度上的瓶颈。

上述实验结果近期发表于最新一期《自然 电子学》杂志。

相关文献： Yang Liu, Jiasen Zhang, and Lian-Mao Peng, Three-dimensional integration of plasmonics and electronics. Nature Electronics 1, 644-651 (2018). Yang Liu, Jiasen Zhang, Huaping Liu, Sheng Wang, and Lian-Mao Peng, Electrically-driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits. Science Advances 3, e1701456 (2017).

近几年，硅基集成电路的速度遭遇瓶颈、停滞不前，解决的办法之一是引入光子学器件，部分取代电子学集成电路中的信号处理和互联器件，这就要求光子学器件具有像电子学集成那样的小尺度和三维集成能力，同时具有和电子学集成兼容的制备工艺。这些要求使得光电混合集成面临巨大的挑战，是一个世界性的难题。

光学所张家森教授团队与信息科学学院彭练矛教授团队合作，提出了基于表面等离激元和碳纳米管的三维光电混合集成系统，该系统与现有的COMS制备工艺兼容，可以实现光子学和电子学的三维集成和互联，为解决集成电路的速度瓶颈提供了一种方法。他们演示了几种集成回路，包括在片光操控回路、波长和偏振复用回路和具有COMS信号处理电路的集成模块。

Fig. 1. Integration of plasmonic-enhanced detector with carbon nanotube (CNT) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) signal processing circuits. a, Schematic of the 3D integrated circuits, consisting of bottom-layer passive WFSAs and metal connection lines, in-between HfO2 dielectrics and Au cross-layer connection lines, and top-layer plasmonic receiver and CNT CMOS signal processing circuits. b, Output characteristics of the plasmonic-enhanced barrier-free-bipolar diode (BFBD) and the normal BFBD under the illumination at "λ" =1200 nm. c, Electric field pattern of the La=320-nm SA. d-e, Transfer (d) and output (e) characteristics of the CMOS. f, VTC curves of the CMOS (blue line) and the 3D integrated circuits (red line). Inset is the corresponding equivalent circuit diagram of the 3D integrated circuits. g-i, Statistical figures of merit of the deep-subwavelength modules, including photocurrent (g) and photovoltage (h) of the BFBD as well as on-state current of the CMOS (i).

这种三维集成系统的优点包括：1. 使用低温COMS兼容制备工艺，可以在单片集成回路中集成光子学模块、电子学信号处理系统和存储系统；2. 利用具有原子厚度的碳纳米管材料以及金属工艺，使得光子学集成和电子学集成在材料上兼容；3. 基于表面等离激元使得光子学器件尺度可以和电子学器件尺度相近，便于集成；4. 碳纳米管的工作波段可以覆盖整个通讯波段，这是硅材料无法做到的；5. 光电探测器工作于光伏模式，可以减小能耗。该工作是首次利用原子厚度材料实现三维光电混合集成，可以实现更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同时，有可能解决电子学集成回路在速度上的瓶颈。

上述实验结果近期发表于最新一期《自然 电子学》杂志。

相关文献：

• Yang Liu, Jiasen Zhang, and Lian-Mao Peng, Three-dimensional integration of plasmonics and electronics. Nature Electronics 1, 644-651 (2018).

• Yang Liu, Jiasen Zhang, Huaping Liu, Sheng Wang, and Lian-Mao Peng, Electrically-driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits. Science Advances 3, e1701456 (2017).