2015年，国际半导体技术发展路线图（ITRS）委员会宣布摩尔定律即将走到尽头，超越硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的需求与日俱增。在众多技术提案中，光电集成具有高带宽和低传输延迟的特性；三维集成具有提高集成密度和能效的潜在优势。因此，三维光电集成结构可兼具光电集成和三维集成的亮点。然而，由于材料和加工方式不兼容，难以基于传统材料，以相同特征尺寸在片三维集成电子学和光子学器件。
新兴的低维半导体材料（如碳纳米管和二维材料）是潜在的理想电子和光电材料，能够满足在片三维光电集成的需求。另一方面，等离激元在亚波长尺寸光操控方面具有优异性能，可解决电子学器件和光子学器件特征尺寸不兼容的难题，故在亚波长光电集成领域备受瞩目。
588888纽约国际官方网站物理电子学研究所、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提出利用“金属工程”的策略，通过基于金（Au）设计孔洞状的底层等离激元结构来实现在片光操控；与此同时，由于金膜具有纳米量级的平整度，满足构建顶层有源器件对基片平整度的要求，从而避免机械抛光工艺，简化了制备流程。在制备等离激元结构的同时，采用金制备所有的互联线以及静电栅结构。由于低维半导体材料具有原子层尺寸的厚度，故而器件极性不适于采用离子注入的方式进行调控。这时，通过调节接触金属的功函数来实现对器件极性的调控，就成为理想选择，即利用高功函数（HM）和低功函数（LM）的不同组合来实现P型金属氧化物半导体（PMOS）（HM-HM）、N型金属氧化物半导体（NMOS）（LM-LM）和二极管（LM-HM），从而能够利用低温制备的工艺特性和CMOS兼容的方式来实现三维集成等离激元器件与电子器件；其功能体现为底层无源器件实现光操控和信号传递，上层有源器件实现信号接收和处理。文中分别展示了具有单向光操控功能的接收器、波长-偏振复用器及其与CMOS的三维集成回路。以上集成结构为“后摩尔时代”的超越互补金属氧化物半导体架构提供重要参考。
2018年12月13日，基于上述工作的学术论文以《三维集成等离激元学与纳电子学》（Three-dimensional integration of plasmonics and nanoelectronics）为题，在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics）；前沿交叉学科研究院博士毕业生刘旸（现在美国洛杉矶加州大学从事博士后研究）为论文第一作者和通讯作者，彭练矛与物理学院张家森教授为共同通讯作者。这是关于三维集成电子器件与等离激元器件方法的首次公开报道。相关工作得到国家重点研发计划“纳米研究”重点专项和国家自然科学基金的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-018-0176-z
