碳納米管具有優異的電學、力學等性能，尤其在納電子學上對電子和空穴都表現出超高的遷移率，被認為是后摩爾時代最有潛力的制作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領域發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，利用非對稱電極實現碳管光電二極管和發光二極管。

    背景

    集成電路是新一代信息技術產業的重要組成部分。過去數十年間，按照摩爾定律的預測，隨著晶體管尺寸不斷縮減，芯片的功能越來越強大、集成度越來越高。然而隨著10nm技術節點的接近，因受到物理定律、成本等制約而很難進一步提升。2015年，國際半導體技術發展路線圖（ITRS）委員會正式宣布摩爾定律將走到盡頭，信息技術進入后摩爾時代。學界和業界一直在探索超越互補金屬氧化物半導體（beyond CMOS）架構的方式，片上光互聯和三維集成架構成為研究熱點之一。

    碳納米管具有尺寸小（1～3nm）、高遷移率、平均自由程長、寬光譜響應等諸多優勢，有望實現片上的三維光電集成，因此被認為是后摩爾時代的理想溝道材料，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的相關研究報道。

    成果

    北京大學信息科學技術學院、納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛教授課題組在碳納米管電子學領域發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，利用非對稱電極實現碳管光電二極管和發光二極管。

    與此同時，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，有效提高碳管光電二極管的開路電壓輸出（9級級聯的碳管光電二極管開路電壓輸出可以倍增到高于2V），從而實現了對后級晶體管器件的靜電控制。

    碳管三維光電集成系統

    此外，課題組利用碳管晶體管高效控制手性富集的碳管發光器件，實現了基于“trion”發光機制的碳管光發射機；利用碳管光接收器和碳管光發射機實現了光電混合集成的“與”邏輯門；進一步首次實現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；在此基礎上提出了基于channel-division-multiplexing（CDM）的互連架構，頂層存儲器中的數據可以電信號的方式被傳送到頂層的碳管光發射器，再以光信號的方式被平行映射到底層的碳管光接收機中轉化為電信號，隨后由底層的碳管電路處理，為超越CMOS架構提供了有價值的參考。

    基于碳管光接收器和光發射機的光電混合集成的“與”邏輯門

    基于該項工作的學術論文以《碳納米管三維單片光電集成系統》（Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system）為題，于2017年6月8日在線發表于《自然？通訊》（Nature Communications,，DOI: 10.1038/ncomms15649）。前沿交叉學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研發計劃、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金等資助。中國科學院物理研究所劉華平研究員為相關實驗提供了手性富集的碳納米管材料。

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責任編輯：龐雪潔

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