电驱动单片亚波长等离子体互连电路

更新时间: Oct 10, 2019  作者:刘趣发彩票app下载  来源:

在后摩尔时代,全球致力于采用单一材料制造的电驱动单片光电集成电路(OEIC),从而能够构建具有强大处理能力的晶圆级紧凑型计算系统功能和低功耗。我们报告了单片等离子体互连电路(PIC),包括光伏(PV)级联检测器,Au-strip波导和电驱动表面等离子体激元(SPP)源。这些元件由碳纳米管(CNT)通过CMOS(互补金属氧化物半导体)兼容的无掺杂技术制造,具有相同的特征尺寸,可以减小到深亚波长尺度(~λ/7到λ/95),λ=1340nm)与14nm技术节点相比。OEIC可能被配置为数据传输的中继器,因为其“光伏”操作模式将SPP能量直接转换为电能以驱动后续电子电路。此外,通过在10mm×10mm晶圆上制造20×20PIC阵列,也证明了芯片级吞吐能力。调整光子学与超出衍射极限的电子器件的单片集成开启了芯片级纳米级电子光子系统的新时代,为更快,更小,更便宜的计算框架引入了创新的新途径。

简介

片上电驱动微型光电集成电路(OEIC)结合了光子网络的高带宽和电子电路的紧凑性,在后摩尔时代积极推行,以实现快速数据传输和强大的信号处理(1,2)。因此,过去几十年的大量研究工作致力于用硅,锗,II-VI和III-V半导体,纳米线和一类扩展的二维(2D)材料(3-9)制造OEIC。然而,这些方法都没有在完整的电路级别上得到证明,以使光子学能够与具有相同特征尺寸的电子器件单片连接。目前,光子学和电子学之间的这种差距可以通过等离子体激元来桥接,等离子体激元学结合物质激发和光场,能够控制金属和电介质界面处的电磁场以克服衍射极限(10-13)。在过去的几十年中,已经创建了各种等离子体构建模块来构建完整的等离子体电路,包括波导,天线,分离器,调制器,表面等离子体激元(SPP)源和检测器(11,14-24)。然而,由于制造和材料冲突,单片等离子体互连电路(PIC)尚未实现(10-13)。在这方面,半导体单壁碳纳米管(CNT)为集成纳米电子和光电子学提供了一种新型材料平台,因为它们具有优异的性能,包括直接带隙,弹道输送,宽带响应和1至3nm的超薄体。(25,26)。这些特性使CNT电子和光电子学得到了可观的发展,包括p型和n型晶体管,电驱动发光二极管,光伏(PV)探测器和原始系统级功能集成电路(25-36)。p>

在这里,我们证明了节能SPP光源,PV检测器和Au-strip波导可以实现单片电驱动PIC。这些特征是通过互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的无掺杂技术以亚波长尺度由CNT制造的。这种方法可以为现代计算系统中的潜在应用(如数据传输中继器)提供芯片级吞吐能力。

结果PIC的结构和原理图1显示了由两个组成的电驱动PIC系统的原理图SPP源,两个Au-strip波导,以及典型硅晶片上的双单元PV级联检测器。在SPP源中(通道长度L=0.5μm;通道宽度W=10μm;在S1和图S1中示出),手性选择(8,4)和(8,3)CNT(详细的表征结果呈现)在部分S2,图S2和表S1)中,与Ti/Au电极接触。级联检测器由高半导体纯度CNT(在S2部分,图S2和表S1中的特定表征)组成,其与Pd/Sc电极(28)接触。如果没有特殊说明,探测器的通道长度和宽度(图S1)分别为1和10μm。所有SPP光源和探测器都覆盖有20-nmHfO2层,作为电绝缘层和金属-电介质接口,用于SPP生成和检测。最后,在HfO2层的顶部制作Au-strip波导(厚度t=80nm;宽度,500或200nm;长度,1到10μm),以将光源光学连接到探测器。

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