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            學院概況

            電子學系王勝-彭練矛課題組在碳納米管單片光電集成芯片研究中取得重要進展

            發布時間:2020-05-28

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            單片光電集成芯片研發一直是納米光子學和電子學領域的重要課題,且在光通信和芯片光互連領域有著重要意義沙巴体育客户端下载。以硅基為主導的集成電路和以III-V族化合物為主導的光電器件之間由于受制于工藝不兼容沙巴体育客户端下载,難以高度集成;新興納米材料的涌現為此提供了新思路,受到廣泛關注。然而沙巴体育客户端下载,有關納米材料波導集成的相關文獻報道主要集中在石墨烯、黑磷沙巴体育客户端下载、過渡金屬硫族化合物等二維材料,存在暗電流高、穩定性差、工作波長受限等問題沙巴体育客户端下载,且不具備一種溝道材料同時用來制備高性能光電器件和邏輯器件的潛力。

            北京大學信息科學技術學院電子學系/北京大學碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室王勝副研究員-彭練矛教授課題組發揮碳納米管可同時制備高性能互補金屬-氧化物半導體場效應晶體管(CMOS-FET)和光電探測器的優勢,開發了一種使用碳管材料制備全部有源器件的光電集成技術,從而實現碳納米管光電系統與硅基光子學器件的高度集成。

            碳納米管具有一維超薄結構沙巴体育客户端下载、極高的載流子遷移率和高的飽和速度,被認為是摩爾定律極具潛力的延續者;其帶隙可覆蓋整個近紅外波段,且具有極高的吸收系數沙巴体育客户端下载,被譽為“最黑的材料”,因此可用于制備高性能光探測器。

            課題組借助碳納米管器件工藝與硅基工藝之間良好的兼容性,制備碳納米管紅外光探測器和CMOS邏輯電路。通過耦合碳管紅外光探測器與硅基單模波導,吸收材料與光子的相互作用大大增強,探測器的光電流響應度相比正入射下提升了97.6倍沙巴体育客户端下载,達到了12.4 mA/W沙巴体育客户端下载;同時沙巴体育客户端下载,通過開發“蛇形”光伏倍增二極管結構,波導耦合的光電二極管可顯現線性光伏倍增沙巴体育客户端下载,輸出電壓信號與邏輯門的供電電壓匹配,做到邏輯控制。由此看來,波導耦合光探測器的輸出電壓信號可被用來作為CMOS反相器沙巴体育客户端下载、或非門等碳管器件的邏輯輸出電平,可通過邏輯電路對光邏輯信號進行數據處理。多根波導、多個光探測器和邏輯門的集成展示也體現出碳管光電集成系統在兼容波分復用技術方面一定的潛力,有望提升光電集成系統數據承載能力。

            2020518日,上述成果以《硅波導集成的碳納米管單片光電系統》 Silicon-waveguide-integrated carbon nanotube optoelectronic system on a single chip)為題沙巴体育客户端下载,在線發表于 《美國化學會·納米》(ACS Nano)沙巴体育客户端下载;電子學系2017級博士研究生馬澤為第一作者,王勝和彭練矛為共同通訊作者;北京郵電大學電子工程學院楊雷靜副研究員為硅基光子器件的設計和耦合提供支持沙巴体育客户端下载,區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室張帆教授協助部分器件測試沙巴体育客户端下载。

            碳納米管光電系統首次以全碳基有源器件實現單片波導耦合和光電集成,為未來碳基集成電路芯片和光互連芯片的發展奠定了基礎。相關研究得到國家自然科學基金創新研究群體、國家重點研發計劃納米科技點專項、區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室等資助。

            原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02139

            采用“蛇形”光伏倍增二極管、實現對碳納米管或非門邏輯控制的光電集成系統


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