北京大学彭练矛组nature子刊：基于碳纳米管的三维单片光电集成系统

【引言】

通用功能光电集成电路（OEIC）相对于纯电气或光电路，不仅可以利用光传输的高带宽和并行性，还可以利用电输入输出隔离。过去几十年，使用III-V，II-VI，Ge，半导体纳米线和新兴二维（2D）材料实现光电有源或无源功能模块。由于常规半导体电子学和光子学的制造存在冲突，而单片OEIC需要多种材料，将这些具有不同功能的高集成密度3D结构材料和模块组合在一起具有很大挑战。此外，在光纤通信中，由于不同波长的有限模式，最高带宽受到限制。

因此，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低温制造工艺实现单个材料单片OEIC是非常重要的，以便以低成本实现无限带宽3D功能。半导体单臂碳纳米管（s-SWCNT）是具有1-3nm超薄体、极高载流子迁移率、0.2～1.5eV宽带响应的直接带隙材料; 这些特征使得s-SWCNTs非常适合用于电子和光电器件以及3D结构的多层堆叠。

【成果简介】

近日，北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛（通讯作者）课题组在Nature Communication上发表文章“Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system ”。文章报道了一种电驱动碳纳米管片装三维光电集成电路，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低温无掺杂技术，利用碳纳米管(CNT)制造片装电驱动小型OEIC的高能纳米电子和光电子系统，如光伏接收器、电驱动发射器和片装电子电路，为实现单片三维光电集成电路提供无缝集成平台，实现多样化的功能，如异构AND门。这些电路可以垂直缩小至30nm以下，室温下以光伏模式工作，各功能层之间可以并行光通信，例如底层数字电路和顶层存储器通过使用发射机/接收机阵列映射数据得到证明，该发射机/接收机阵列可以作为下一代节能信号处理提供范例而被扩展。

【图文导读】

图1光伏CNT接收器的结构和性能

（a）由第一级串联线性放大器和第二级模拟开关组成光电CNT接收器的示意图

（b）由9单元级联光电检测器和叉指式n-FET（场效应晶体管，比例尺，10μm）构成的真实光接收器的假彩色SEM图像

（c）级联第一级放大器的光响应

（d）第一级放大器与放大器级数的线性度

（e）具有不同偏置电压CNT膜n-FET的传输特性集合

（f）用V_gs测量n-FET输出特性，其变化范围为2～-1.5V， 插图是顶栅n-FET结构

（g）光电接收器在黑暗和各种入射IR照度下输出特性为5.78〜0.013Wcm²

（h）接收机的光电流响应度，插图是相应的等效电路图

（i）接收机的动态时间跟踪。（功率密度：5.78Wcm-2，波长：1800nm，光源：NKT超连续光谱激光）

图2 CNT变送器的结构和性能

（a）由数字CNT n-FET（场效应晶体管）和发射极组成的CNT变送器器示意图

（b）CNT变送器的假彩色SEM图像，由一个叉指式n-FET和发射极组成

（c）EL光谱和洛伦兹拟合

（d）作为电压偏置函数集成的IR发射强度

（e）相应的EL和光致发光光谱

（f）有适度V_ds = 6V CNT变送器传输特性，插图是相应的等效电路图

（g）变送器的可调谐和可控IR发射，两个EL发射光谱分别对应于V_gs = -2V和5V（h）变送器的时间跟踪

图3异质光电逻辑门

通过具有光或电输入和输出的光电接收器实现的与门,左插图是等效电路，右插图是确定输入和输出逻辑0和1状态的真值，由b所示的输出特性决定。（b）光电接收器与门输出特性（c）与门的波形（d）通过具有电输入和光输出的变送器实现的与门，左插图是对应于e所示输出特性的真值表。右插图是等效电路（e）变送器与门的输出特性（f）与门的波形。

图4 片装垂直近场OEIC

（a）垂直近场OEIC的示意图，由顶层发射器和底层级联检测器组成

（b）垂直OEIC的SEM图像（比例尺，10μm）

（c）顶层变送器的EL光谱

（d）底层光伏检测器的相应输出特性

（e）底层检测器的光电压与顶层CNT变送器的照明功率的关系,插图是a的前视图

（f）3D OEIC的动态时间跟踪

（g）2ⅹ2垂直平行传输阵列的光学图像（比例尺，50 mm）,每个白色圆圈表示活动的CDM通道区域

（h）2ⅹ2 CDM映射阵列的相应并行传输映射结果

【小结】

 这项工作设计一个单片3D OEIC系统，由光电接收器，电驱动变送器和CMOS信号处理电路阵列组成，这些器件都是利用碳纳米管通过CMOS兼容的无掺杂技术制造的，通过异构门（如AND门）实现器件的多功能。 这项工作为层叠功能层（例如微处理器层和存储层）之间的并行数据通信提供了不同的范例，当使用nⅹn变送器/接收器阵列时，可能得到高达10n² Gbps层间数据通信速度。

文献链接：Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system(Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/ncomms15649)

本文由材料人编辑部江银珠编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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