Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system
(信息学院彭练矛教授课题组在碳纳米管三维光电集成研究中取得重要进展)

集成电路是新一代信息技术产业的重要组成部分。过去数十年间,按照摩尔定律的预测,随着晶体管尺寸不断缩减,芯片的功能越来越强大、集成度越来越高;然而,随着接近10 nm的技术节点,因受到物理定律、成本等制约而很难进一步提升。2015年,国际半导体技术发展路线图(ITRS)委员会正式宣布摩尔定律将走到尽头,信息技术进入后摩尔时代。学界和业界一直在探索超越互补金属氧化物半导体(beyond CMOS)架构的方式,片上光互联和三维集成架构成为研究热点之一。

碳纳米管具有尺寸小(13 nm)、高迁移率、平均自由程长、宽光谱响应等诸多优势,有望实现片上的三维光电集成,因此被认为是后摩尔时代的理想沟道材料,在电子和光电子器件中得到广泛研究,然而迄今未见碳管光互连和三维集成架构的相关研究报道。

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在碳纳米管电子学领域发展了高性能碳管电子、光电子器件的无掺杂制备方法,利用对称电极制备高性能碳管晶体管,利用非对称电极实现碳管光电二极管和发光二极管,与此同时,采用相同工艺在基底上制备电子和光电子器件,克服了传统材料中电子与光电子器件制备工艺不兼容的难题,通过引入“虚电极”的光伏倍增效应,有效提高碳管光电二极管的开路电压输出(9级级联的碳管光电二极管开路电压输出可以倍增到高于2V),从而实现了对后级晶体管器件的静电控制。

此外,课题组利用碳管晶体管高效控制手性富集的碳管发光器件,实现了基于“trion”发光机制的碳管光发射机;利用碳管光接收器和碳管光发射机实现了光电混合集成的“与”逻辑门;进一步地,首次实现了光伏模式的碳管单片三维堆叠的光电集成回路,其纵向集成尺度在亚30nm量级;在此基础上,提出了基于channel-division-multiplexingCDM)的互连架构,顶层存储器中的数据可以电信号的方式被传送到顶层的碳管光发射器,再以光信号的方式被平行映射到底层的碳管光接收机中,转化为电信号,随后由底层的碳管电路处理,为超越CMOS架构提供了有价值的参考。

基于这项工作的学术论文以《碳纳米管三维单片光电集成系统》(Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system)为题,于201768日在线发表于《自然·通讯》(Nature CommunicationsDOI: 10.1038/ncomms15649);前沿交叉学科研究院博士研究生刘旸为论文第一作者,彭练矛为通讯作者。

以上研究得到国家重点研发计划、重大科学研究计划、国家自然科学基金等资助;中国科学院物理研究所刘华平研究员为相关实验提供了手性富集的碳纳米管材料。

基于碳管光接收器和光发射机的光电混合集成的“与”逻辑门

 

      碳管三维光电集成系统

The future of computer processing
(彭练矛团队碳基集成电路成果被《2017中国自然指数》专题报道)

 

         2017年5月25日,英国《自然》期刊增刊《2017中国自然指数》(第5545卷,7655期)出版。最新的自然指数(nature index)表明,在过去15年中,材料科学(尤其是纳米材料等)领域已成为各国政策制定者的关注重点,大力投资材料科学也成为中国整体科技战略的重要组成部分。近年来,中国始终是在材料科学领域发表论文最多的国家,其背后是政府的大规模资金投入和大力引进人才。然而,材料科学家认为,需要将更多的资源投入到基础研究的转化中;应用科学家表示,如果没有足够的扶持,中国在材料研究商业化方面的努力将受阻。

        《中国未来的“蓝筹股”》(China's blue-chip future,第S54-S57页,DOI: doi:10.1038/545S54a)一文指出,今年2月,科技部对在其经费支持下所取得的研究成果予以宣传,其中包括一种铁基超导体、一种超强合金,以及由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团队所开发的栅极长度仅为5 nm的碳纳米晶体管。文中报道了彭练矛团队在碳纳米管晶体管集成电路研究中所取得的突破性进展,团队中一位研究生手捧碳基芯片的照片被选作刊物封面。这也是继2015年之后,该团队第二次被《中国自然指数》重点介绍。

                                    彭练矛团队成员手捧碳基芯片的照片被选作刊物封面

        今年1月,彭练矛团队所研发的栅极长5 nm的碳纳米管发表于《科学》期刊。在科技部、国家自然科学基金委员会、北京市科学技术委员会的支持下,他们始终致力于开发尺寸更小、速度更快、功耗更低的碳管半导体器件和集成电路,展现出碳管CMOS器件较硅基CMOS器件具有的明显优势和代表着“计算机处理器的未来”(the future of computer processing)的巨大潜力。彭练矛预言,在未来5~10年内,碳纳米管芯片将发展成熟,团队亟待与企业合作,以产业规模加以生产,毕竟“工程不是实验室的强项”。与此同时,他期待国家对应用研究加大政策扶持和经费支持,吸引大企业投资技术,加快纳米技术商业化的进程,早日将碳管器件开发成计算机芯片。

北京大学电子学系物理电子学研究所