北京大学Science子刊：电驱动的单片亚波长等离子体互联电路

【引言】

近几十年来，关于制造硅、锗、II-VI和III-V半导体、纳米线以及二维（2D）材料的光电集成电路的研究不断增加。然而，由于制造工艺和材料品质之间的冲突，单片等离子体互联网络结构尚未实现。在这方面，半导体单壁碳纳米管（CNTs）具有优异的性能，如：直接带系、宽带响应等，为集成电子和光电子学提供了新的研究方向。 这些特征使得CNT在集成电子和光电子学方向具有可观的发展，主要包括：电驱动发光二极管，PV检测器和功能性集成电路。

【成果简介】

近日，北京大学彭练矛教授和张家森教授（共同通讯作者）于Science Advances期刊上发表“Electrically driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits”一文，报道了一种由光伏检测器、金的条形波导和电驱动的表面等离子激元组成的单片等离子体互联电路。该方法在提高芯片的吞吐能力方面具有潜在的应用，如：现代计算系统中的数据传输中继器。

【图文导读】

图1：CNTs的电驱动PIC体系

图2：基于CNT的发射器和SPP源

(A) 五通道CNT发射器的SEM图，标尺为5μm；

(B) CNT发射器的输出特性曲线；

(C) CNT发射体的EL光谱及其洛伦兹拟合。a.u.为任意单位；

(D) 集成EL发射强度与电压偏差关系图（插图：不同电压下CNT发射体的EL光谱）；

(E) 五通道CNT SPP源的SEM图像。标尺为5μm；

(F) SPP源的输出特性；

(G) SPP源的EL光谱；

(H) 集成EL发射强度与电压偏差关系图（插图：不同电压偏差对应的EL光谱）。

图3：单片CNT PV级联的SPP检测器

(A) 五电池级联的SPP检测器的SEM图像；

(B) 探测器的输出特点（插图：红外照射下探测器示意图）；

(C) V_ds = -1V时，检测器的传输特性；

(D) 不同光照强度下，SPP检测器的输出特性；

(E-F) SPP检测器的PV行为(E)和噪声谱线(F)。

图4：电驱动PIC系统的特性

(A-C) 不同传播长度下，PIC的SEM图像：d=1mm(A),5mm(B),10mm(C)；

(D) 沿传播方向的SPP强度的3D FDTD模拟图；

(E) V_bias=7V时，S1，S2，S3的输出特性；

(F) 级联检测器的光电压和SPP源电流与传播长度的关系图；

(G) 给源施加不同偏压时，S2的输出特性图；

(H) 检测器光电压和源电流与施加在源上的电压偏差的关系图。

图5：芯片集成和深亚波长特性表征

(A) PIC中继器阵列的数字图像（晶片尺寸为10 mm×10 mm）；

(B-D) 不同放大级别的中继器阵列（A）的SEM图像，其标尺分别为250,40,20μm；

(E) PIC中单通道的SEM图像，标尺为200 nm；

(F) PIC的输出特性。插图表示了200 nm宽的Au波导的SPP模式分布；

(G) SPP传播长度与波导宽度的关系图。

【小结】

本文展示了一种由电可调SPP源，PV级联SPP检测器和Au条形波导组成的单片亚波长电驱动PIC系统。这些元件由相同特征尺寸的CNT通过CMOS兼容的无掺杂技术制成，为实现深波长(~λ/7至λ/95,λ=1340nm)和大规模（20×20 PIC阵列）的等离子体电路构建了理想的平台。

文献链接：Electrically driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits (Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701456)

本文由材料人编辑部孙雪飞编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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