2015年，國際半導體技術發展路線圖(ITRS)委員會宣布摩爾定律即將走到盡頭，超越硅基互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的需求與日俱增。在眾多技術提案中，光電集成具有高帶寬和低傳輸延遲的特性，三維集成具有提高集成密度和能效的潛在優勢。因此，三維光電集成結構可兼具光電集成和三維集成的亮點。然而，由于材料和加工方式不兼容，難以基于傳統材料以相同特征尺寸在片三維集成電子學和光子學器件。

新興的低維半導體材料(如碳納米管和二維材料)是潛在的理想電子和光電材料，能夠滿足在片三維光電集成的需求。另一方面，等離激元在亞波長尺寸光操控方面具有優異性能，可解決電子學器件和光子學器件特征尺寸不兼容的難題，故在亞波長光電集成領域備受矚目。

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提出利用“金屬工程”的策略，通過基于金(Au)設計孔洞狀的底層等離激元結構來實現在片光操控。與此同時，由于金膜具有納米量級的平整度，滿足構建頂層有源器件對基片平整度的要求，從而避免機械拋光工藝，簡化了制備流程。在制備等離激元結構的同時，采用金制備所有的互聯線以及靜電柵結構。由于低維半導體材料具有原子層尺寸的厚度，故而器件極性不適于采用離子注入的方式進行調控。因此，通過調節接觸金屬的功函數來實現對器件極性的調控，就成為理想選擇，即利用高功函數(HM)和低功函數(LM)的不同組合來實現P型金屬氧化物半導體(PMOS)(HM-HM)、N型金屬氧化物半導體(NMOS)(LM-LM)和二極管(LM-HM)，從而能夠利用低溫制備的工藝特性和CMOS兼容的方式來實現三維集成等離激元器件與電子器件。其功能體現為底層無源器件實現光操控和信號傳遞，上層有源器件實現信號接收和處理。下圖分別展示了具有單向光操控功能的接收器、波長-偏振復用器及其與CMOS的三維集成回路。以上集成結構為“后摩爾時代”的超越互補金屬氧化物半導體架構提供重要參考。

2018年12月13日，基于上述工作的學術論文以“三維集成等離激元學與納電子學(Three-dimensional integration of plasmonics and nanoelectronics)”為題，在線發表于《自然·電子學》(Nature Electronics)。前沿交叉學科研究院博士畢業生劉旸(現在美國洛杉磯加州大學從事博士后研究)為論文第一作者和通訊作者，彭練矛與物理學院張家森教授為共同通訊作者。這是關于三維集成電子器件與等離激元器件方法的首次公開報道。相關工作得到國家重點研發計劃“納米研究”重點專項和國家自然科學基金的資助。

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