碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)等性能，尤其在納電子學(xué)上對電子和空穴都表現(xiàn)出超高的遷移率，被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代最有潛力的制作CMOS集成電路的納米材料之一。最近，北大彭練矛教授課題組在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)展了高性能碳管電子、光電子器件的無摻雜制備方法，利用對稱電極制備高性能碳管晶體管，利用非對稱電極實(shí)現(xiàn)碳管光電二極管和發(fā)光二極管。

    背景

    集成電路是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。過去數(shù)十年間，按照摩爾定律的預(yù)測，隨著晶體管尺寸不斷縮減，芯片的功能越來越強(qiáng)大、集成度越來越高。然而隨著10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的接近，因受到物理定律、成本等制約而很難進(jìn)一步提升。2015年，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（ITRS）委員會(huì)正式宣布摩爾定律將走到盡頭，信息技術(shù)進(jìn)入后摩爾時(shí)代。學(xué)界和業(yè)界一直在探索超越互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（beyond CMOS）架構(gòu)的方式，片上光互聯(lián)和三維集成架構(gòu)成為研究熱點(diǎn)之一。

    碳納米管具有尺寸小（1～3nm）、高遷移率、平均自由程長、寬光譜響應(yīng)等諸多優(yōu)勢，有望實(shí)現(xiàn)片上的三維光電集成，因此被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代的理想溝道材料，在電子和光電子器件中被廣泛研究，然而迄今未見碳管光互連和三維集成架構(gòu)的相關(guān)研究報(bào)道。

    成果

    北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭練矛教授課題組在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)展了高性能碳管電子、光電子器件的無摻雜制備方法，利用對稱電極制備高性能碳管晶體管，利用非對稱電極實(shí)現(xiàn)碳管光電二極管和發(fā)光二極管。

    與此同時(shí)，采用相同工藝在基底上制備電子和光電子器件，克服了傳統(tǒng)材料中電子與光電子器件制備工藝不兼容的難題，通過引入“虛電極”的光伏倍增效應(yīng)，有效提高碳管光電二極管的開路電壓輸出（9級級聯(lián)的碳管光電二極管開路電壓輸出可以倍增到高于2V），從而實(shí)現(xiàn)了對后級晶體管器件的靜電控制。

    碳管三維光電集成系統(tǒng)

    此外，課題組利用碳管晶體管高效控制手性富集的碳管發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)了基于“trion”發(fā)光機(jī)制的碳管光發(fā)射機(jī)；利用碳管光接收器和碳管光發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了光電混合集成的“與”邏輯門；進(jìn)一步首次實(shí)現(xiàn)了光伏模式的碳管單片三維堆疊的光電集成回路，其縱向集成尺度在亞30nm量級；在此基礎(chǔ)上提出了基于channel-division-multiplexing（CDM）的互連架構(gòu)，頂層存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可以電信號的方式被傳送到頂層的碳管光發(fā)射器，再以光信號的方式被平行映射到底層的碳管光接收機(jī)中轉(zhuǎn)化為電信號，隨后由底層的碳管電路處理，為超越CMOS架構(gòu)提供了有價(jià)值的參考。

    基于碳管光接收器和光發(fā)射機(jī)的光電混合集成的“與”邏輯門

    基于該項(xiàng)工作的學(xué)術(shù)論文以《碳納米管三維單片光電集成系統(tǒng)》（Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system）為題，于2017年6月8日在線發(fā)表于《自然？通訊》（Nature Communications,，DOI: 10.1038/ncomms15649）。前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生劉旸為論文第一作者，彭練矛為通訊作者。

    以上研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等資助。中國科學(xué)院物理研究所劉華平研究員為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了手性富集的碳納米管材料。

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責(zé)任編輯：龐雪潔

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