彭练矛课题组在三维集成电子器件与等离激元器件研究中取得重要突破

dawan

2015年，国际半导体技术发展路线图（ITRS）委员会宣布摩尔定律即将走到尽头，超越硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的需求与日俱增。在众多技术提案中，光电集成具有高带宽和低传输延迟的特性，三维集成具有提高集成密度和能效的潜在优势。因此，三维光电集成结构可兼具光电集成和三维集成的亮点。然而，由于材料和加工方式不兼容，难以基于传统材料以相同特征尺寸在片三维集成电子学和光子学器件。

新兴的低维半导体材料（如碳纳米管和二维材料）是潜在的理想电子和光电材料，能够满足在片三维光电集成的需求。另一方面，等离激元在亚波长尺寸光操控方面具有优异性能，可解决电子学器件和光子学器件特征尺寸不兼容的难题，故在亚波长光电集成领域备受瞩目。

北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授课题组提出利用“金属工程”的策略，通过基于金（Au）设计孔洞状的底层等离激元结构来实现在片光操控。与此同时，由于金膜具有纳米量级的平整度，满足构建顶层有源器件对基片平整度的要求，从而避免机械抛光工艺，简化了制备流程。在制备等离激元结构的同时，采用金制备所有的互联线以及静电栅结构。由于低维半导体材料具有原子层尺寸的厚度，故而器件极性不适于采用离子注入的方式进行调控。因此，通过调节接触金属的功函数来实现对器件极性的调控，就成为理想选择，即利用高功函数（HM）和低功函数（LM）的不同组合来实现P型金属氧化物半导体（PMOS）（HM-HM）、N型金属氧化物半导体（NMOS）（LM-LM）和二极管（LM-HM），从而能够利用低温制备的工艺特性和CMOS兼容的方式来实现三维集成等离激元器件与电子器件。其功能体现为底层无源器件实现光操控和信号传递，上层有源器件实现信号接收和处理。下图分别展示了具有单向光操控功能的接收器、波长-偏振复用器及其与CMOS的三维集成回路。以上集成结构为“后摩尔时代”的超越互补金属氧化物半导体架构提供重要参考。

三维集成架构示意图

2018年12月13日，基于上述工作的学术论文以“三维集成等离激元学与纳电子学（Three-dimensional integration of plasmonics and nanoelectronics）”为题，在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics）。前沿交叉学科研究院博士毕业生刘旸（现在美国洛杉矶加州大学从事博士后研究）为论文第一作者和通讯作者，彭练矛与物理学院张家森教授为共同通讯作者。这是关于三维集成电子器件与等离激元器件方法的首次公开报道。相关工作得到国家重点研发计划“纳米研究”重点专项和国家自然科学基金的资助。