近幾年，硅基集成電路的速度遭遇瓶頸、停滯不前，解決的辦法之一是引入光子學器件，部分取代電子學集成電路中的信號處理和互聯器件，這就要求光子學器件具有像電子學集成那樣的小尺度和三維集成能力，同時具有和電子學集成兼容的制備工藝。這些要求使得光電混合集成面臨巨大的挑戰，是一個世界性的難題。

光學所張家森教授團隊與信息科學學院彭練矛教授團隊合作，提出了基于表面等離激元和碳納米管的三維光電混合集成系統，該系統與現有的COMS制備工藝兼容，可以實現光子學和電子學的三維集成和互聯，為解決集成電路的速度瓶頸提供了一種方法。他們演示了幾種集成回路，包括在片光操控回路、波長和偏振復用回路和具有COMS信號處理電路的集成模塊。

Fig. 1. Integration of plasmonic-enhanced detector with carbon nanotube (CNT) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) signal processing circuits. a, Schematic of the 3D integrated circuits, consisting of bottom-layer passive WFSAs and metal connection lines, in-between HfO2 dielectrics and Au cross-layer connection lines, and top-layer plasmonic receiver and CNT CMOS signal processing circuits. b, Output characteristics of the plasmonic-enhanced barrier-free-bipolar diode (BFBD) and the normal BFBD under the illumination at "λ" =1200 nm. c, Electric field pattern of the La=320-nm SA. d-e, Transfer (d) and output (e) characteristics of the CMOS. f, VTC curves of the CMOS (blue line) and the 3D integrated circuits (red line). Inset is the corresponding equivalent circuit diagram of the 3D integrated circuits. g-i, Statistical figures of merit of the deep-subwavelength modules, including photocurrent (g) and photovoltage (h) of the BFBD as well as on-state current of the CMOS (i).

這種三維集成系統的優點包括：1. 使用低溫COMS兼容制備工藝，可以在單片集成回路中集成光子學模塊、電子學信號處理系統和存儲系統；2. 利用具有原子厚度的碳納米管材料以及金屬工藝，使得光子學集成和電子學集成在材料上兼容；3. 基于表面等離激元使得光子學器件尺度可以和電子學器件尺度相近，便于集成；4. 碳納米管的工作波段可以覆蓋整個通訊波段，這是硅材料無法做到的；5. 光電探測器工作于光伏模式，可以減小能耗。該工作是首次利用原子厚度材料實現三維光電混合集成，可以實現更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同時，有可能解決電子學集成回路在速度上的瓶頸。

上述實驗結果近期發表于最新一期《自然 電子學》雜志。

相關文獻：

• Yang Liu, Jiasen Zhang, and Lian-Mao Peng, Three-dimensional integration of plasmonics and electronics. Nature Electronics 1, 644-651 (2018).
• Yang Liu, Jiasen Zhang, Huaping Liu, Sheng Wang, and Lian-Mao Peng, Electrically-driven monolithic subwavelength plasmonic interconnect circuits. Science Advances 3, e1701456 (2017).