单片光电集成芯片研发一直是纳米光子学和电子学领域的重要课题，且在光通信和芯片光互连领域有着重要意义。以硅基为主导的集成电路和以III-V族化合物为主导的光电器件之间由于受制于工艺不兼容，难以高度集成；新兴纳米材料的涌现为此提供了新思路，受到广泛关注。然而，有关纳米材料波导集成的相关文献报道主要集中在石墨烯、黑磷、过渡金属硫族化合物等二维材料，存在暗电流高、稳定性差、工作波长受限等问题，且不具备一种沟道材料同时用来制备高性能光电器件和逻辑器件的潜力。
williamhill威廉希尔官网电子学系/williamhill威廉希尔官网碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室王胜副研究员-彭练矛教授课题组发挥碳纳米管可同时制备高性能互补金属-氧化物半导体场效应晶体管（CMOS-FET）和光电探测器的优势，开发了一种使用碳管材料制备全部有源器件的光电集成技术，从而实现碳纳米管光电系统与硅基光子学器件的高度集成。
碳纳米管具有一维超薄结构、极高的载流子迁移率和高的饱和速度，被认为是摩尔定律极具潜力的延续者；其带隙可覆盖整个近红外波段，且具有极高的吸收系数，被誉为“最黑的材料”，因此可用于制备高性能光探测器。
课题组借助碳纳米管器件工艺与硅基工艺之间良好的兼容性，制备碳纳米管红外光探测器和CMOS逻辑电路。通过耦合碳管红外光探测器与硅基单模波导，吸收材料与光子的相互作用大大增强，探测器的光电流响应度相比正入射下提升了97.6倍，达到了12.4 mA/W；同时，通过开发“蛇形”光伏倍增二极管结构，波导耦合的光电二极管可显现线性光伏倍增，输出电压信号与逻辑门的供电电压匹配，做到逻辑控制。由此看来，波导耦合光探测器的输出电压信号可被用来作为CMOS反相器、或非门等碳管器件的逻辑输出电平，可通过逻辑电路对光逻辑信号进行数据处理。多根波导、多个光探测器和逻辑门的集成展示也体现出碳管光电集成系统在兼容波分复用技术方面一定的潜力，有望提升光电集成系统数据承载能力。
2020年5月18日，上述成果以《硅波导集成的碳纳米管单片光电系统》 （Silicon-waveguide-integrated carbon nanotube optoelectronic system on a single chip）为题，在线发表于 《美国化学会·纳米》（ACS Nano）；电子学系2017级博士研究生马泽为第一作者，王胜和彭练矛为共同通讯作者；北京邮电大学电子工程学院杨雷静副研究员为硅基光子器件的设计和耦合提供支持，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室张帆教授协助部分器件测试。
碳纳米管光电系统首次以全碳基有源器件实现单片波导耦合和光电集成，为未来碳基集成电路芯片和光互连芯片的发展奠定了基础。相关研究得到国家自然科学基金创新研究群体、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室等资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02139
采用“蛇形”光伏倍增二极管、实现对碳纳米管或非门逻辑控制的光电集成系统
