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研究背景 芯片是人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，也是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心。小到手機(jī)、電腦、數(shù)碼相機(jī)，大到6G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算均基于芯片技術(shù)的不斷突破。半導(dǎo)體光刻工藝水平的發(fā)展是以芯片為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)的基石，目前半導(dǎo)體光刻的制造工藝幾乎是摩爾定律的物理極限。隨著制造工藝的越來(lái)越小，芯片內(nèi)晶體管單元已經(jīng)接近分子尺度，半導(dǎo)體制作工藝的“瓶頸效應(yīng)”越來(lái)越明顯。隨著全球化以及科技的高速發(fā)展，急劇增長(zhǎng)的龐大數(shù)據(jù)量要求數(shù)據(jù)處理模型和算法結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級(jí)，帶來(lái)的結(jié)果就是對(duì)計(jì)算能力和系統(tǒng)功耗的要求不斷提高。而目前智能電子設(shè)備大多存在傳輸瓶頸、功耗增加以及計(jì)算力瓶頸等現(xiàn)象，已越來(lái)越難以滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)計(jì)算力與功耗的需求，因此提高運(yùn)算速度同時(shí)降低運(yùn)算功耗是目前信息工業(yè)界面臨的緊要問(wèn)題。 如當(dāng)年集成電路開(kāi)創(chuàng)信息時(shí)代一樣，當(dāng)下已經(jīng)普及的光通信正在成為新革命力量的開(kāi)路先鋒。與此同時(shí)，光子芯片正在從分立式器件向集成光路演進(jìn)，光子芯片向小型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)已是必然。相對(duì)于電子驅(qū)動(dòng)的集成電路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特點(diǎn)，利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示的光子芯片，具有非常廣闊的發(fā)展空間和巨大的潛能。 項(xiàng)目功能 本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)光通信關(guān)鍵技術(shù)及核心芯片，基于量子阱二極管發(fā)光探測(cè)共存現(xiàn)象，探索關(guān)鍵微納制造技術(shù)，研制出可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信、感知功能的一體化光電子芯片。 技術(shù)路線 一、技術(shù)原理及可行性 本項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人王永進(jìn)教授發(fā)現(xiàn)如圖1所示的量子阱二極管發(fā)光探測(cè)共存現(xiàn)象，首次研制出同質(zhì)集成發(fā)射、傳輸、調(diào)制和接收器件的光電子芯片，這些原創(chuàng)工作引起了業(yè)界相關(guān)科研小組地廣泛關(guān)注，化合物半導(dǎo)體同質(zhì)集成光電子芯片成為研究熱點(diǎn)。香港大學(xué)的蔡凱威小組和申請(qǐng)人合作提出濕法刻蝕和激光選擇性剝離技術(shù)，在藍(lán)寶石氮化物晶圓上實(shí)現(xiàn)LED基同質(zhì)集成光電子芯片(Optica 5, 564-569 (2018))。沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Ooi教授和美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校Nakamura教授小組在藍(lán)寶石氮化物晶圓上，研制出基于氮化物激光器的同質(zhì)集成光電子芯片(Opt. Express 26, A219(2018))。中科院蘇州納米所孫錢(qián)小組在硅襯底氮化物晶圓上，研制出基于氮化物激光器的同質(zhì)集成光電子芯片(IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24, 8200305 (2018))。在NRZ-OOK調(diào)制方式下，InGaN/GaN量子阱二極管可實(shí)現(xiàn)Gbps的光發(fā)射、調(diào)制和探測(cè)速率(Appl. Phys. Express 13, 014001 (2020))。這些工作表明研發(fā)基于光子傳輸?shù)幕衔锇雽?dǎo)體同質(zhì)集成光電子芯片以實(shí)現(xiàn)片上光子通信是可行的。   二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝流程 本項(xiàng)目提出的同時(shí)通信/感知一體化光電子芯片基于常規(guī)的藍(lán)寶石襯底氮化鎵基多量子阱LED外延片進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)需特殊定制的外延結(jié)構(gòu)。以典型的2寸氮化鎵基藍(lán)光LED外延片為例，其外延片結(jié)構(gòu)如圖2所示，從下至上依次為藍(lán)寶石襯底、AlGaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱層和P型GaN層，通過(guò)調(diào)節(jié)InGaN/GaN多量子阱層的參數(shù)（層厚度與In的比例等等）可制備具有不同中心波長(zhǎng)的光源器件。   圖3為本項(xiàng)目所提出的同時(shí)通信/感知一體化光電子芯片結(jié)構(gòu)。在藍(lán)寶石襯底的氮化物晶圓上通過(guò)刻蝕和沉積等一系列晶圓級(jí)微納加工技術(shù)，制備出單片集成的InGaN/GaN多量子阱LED和PD。光子芯片的P、N電極可以采用倒裝技術(shù)直接與基板相連，光線從透明的藍(lán)寶石襯底發(fā)出，這樣不僅使得器件具有優(yōu)良的電性能和熱特性而且簡(jiǎn)化了其后期的封裝工藝。 三、技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢(shì) 1、同一塊晶圓上集成LED和PD使得兩者間距離大大縮短，不僅有助于增強(qiáng)PD對(duì)藍(lán)寶石表面反射光線的耦合，提升感知系統(tǒng)性能，而且縮小了器件整體外形，符合集成電子器件小型化、便攜化的發(fā)展趨勢(shì)； 2、單片集成的LED和PD器件相比于傳統(tǒng)異質(zhì)的、分立的LED和PD簡(jiǎn)化了封裝形式和工藝，不再需要對(duì)LED和PD進(jìn)行單獨(dú)的封裝，而且同質(zhì)集成器件的基板也較異質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單統(tǒng)一，極大地縮短了集成系統(tǒng)的制作周期； 3、同時(shí)通信/感知一體化光電子芯片采用相同的工藝就可以制作出LED和PD，簡(jiǎn)化了生長(zhǎng)異質(zhì)材料的復(fù)雜性，縮短了器件流片的周期，使用同一工藝就可將LED和PD進(jìn)行批量生產(chǎn)，有效地降低了生產(chǎn)成本。 四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所在的Peter Grünberg研究中心擁有完整的LED器件制備、光電性能測(cè)試與電學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，并且項(xiàng)目成員積累了豐富的測(cè)試技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足本項(xiàng)目的同時(shí)通信/感知一體化光電子芯片測(cè)試同時(shí)表征光電參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的需求。下圖4所示為器件形貌表征圖，從左邊依次是掃描電鏡圖、光鏡圖、原子力顯微鏡圖。   基于通信感知一體化芯片，本項(xiàng)目利用單個(gè)多功能集成器件成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體脈搏的監(jiān)測(cè)功能，如圖5所示。   另外基于通信感知一體化氮化鎵光電子芯片，我們還實(shí)現(xiàn)了照明、成像和探測(cè)功能為一體的LED陣列系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)可以在點(diǎn)亮照明的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界光信號(hào)的探測(cè)與感知，通過(guò)后端系統(tǒng)處理后，再將信息通過(guò)陣列顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)多種功能的集成。 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王永進(jìn)教授是國(guó)家自然基金委優(yōu)秀青年項(xiàng)目、國(guó)家973項(xiàng)目獲得者，他以第一或通訊作者身份在Light-Sci Appl.等主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表一系列高質(zhì)量研究論文，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利23項(xiàng)，美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)，被National Science Review、Semiconductor Today等做9次專(zhuān)題報(bào)道，榮獲2019年中國(guó)電子學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（自然科學(xué)）、2019年南京市十大重大原創(chuàng)成果獎(jiǎng)等。

項(xiàng)目采用了中山大學(xué)自主研發(fā)的低損耗低應(yīng)力超低溫氮化硅材料平臺(tái)，研制了一系列光子集成的關(guān)鍵 器件

 基于硅材料和CMOS工藝制備光電子器件及其集成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低成本、批量化生產(chǎn)，并具有和微電子單片集成的潛力，是目前國(guó)際光電子前沿研究領(lǐng)域。該技術(shù)不僅可以用于片上光互連，也可為骨干網(wǎng)、光接入網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心提供高性能、低成本收發(fā)模塊。 在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目《超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術(shù)基礎(chǔ)研究》的支持下，針對(duì)硅基材料不具備線性電光效應(yīng)、而利用自由載流子等離子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)節(jié)效率低、功耗高等科學(xué)難題，提出了一系列解決思路和具有創(chuàng)新性的器件結(jié)構(gòu)，形成了硅基光電子集成器件設(shè)計(jì)方法和基于CMOS工藝的制備工藝流程，成功制備了一系列硅基光電子集成芯片。 該技術(shù)不僅為我國(guó)硅基光電子集成技術(shù)的發(fā)展和華為等知名電信設(shè)備企業(yè)新一代產(chǎn)品提供了有力的技術(shù)支撐，也引起了國(guó)際同行的密切關(guān)注。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)《Optics & Photonics News》曾出版專(zhuān)題報(bào)道“Integrated Photonics in China”，對(duì)本項(xiàng)目的部分工作進(jìn)行了介紹。2014年底，Nature Photonics將本項(xiàng)目首次在硅基上研制成功的大容量可編程光緩存芯片作為Research Highlight加以報(bào)道。高速低功耗16*16光交換芯片版圖大容量可編程光緩存芯片（左：芯片照片，中：封裝后的結(jié)構(gòu)，右：性能測(cè)試結(jié)果）為華為公司研制的400G可調(diào)光模塊。

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(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)有的COMS制備工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)光子學(xué)和電子學(xué)的三維集成和互聯(lián)，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(zhǎng)和偏振復(fù)用回路和具有COMS信號(hào)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(xué)模塊、電子學(xué)信號(hào)處理系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)；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(xué)集成和電子學(xué)集成在材料上兼容；3. 基于表面等離激元使得光子學(xué)器件尺度可以和電子學(xué)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(gè)通訊波段，這是硅材料無(wú)法做到的；5. 光電探測(cè)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(shí)現(xiàn)三維光電混合集成，可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同時(shí)，有可能解決電子學(xué)集成回路在速度上的瓶頸。

        技術(shù)成熟度：技術(shù)突破         目前的潮流能發(fā)電機(jī)組以直驅(qū)液壓變槳及帶變速箱的液壓變槳為主，其發(fā)電機(jī)和變速箱均采取機(jī)械動(dòng)密封方式進(jìn)行密封防水處理，海洋環(huán)境下，機(jī)械動(dòng)密封的可靠性和運(yùn)行效率往往沖突，密封層級(jí)多運(yùn)行阻力大，效率低，密封層級(jí)少，密封可靠性差，機(jī)組的運(yùn)行可靠性大大降低。光伏、波浪、海流一體化集成發(fā)電，波浪能與海流能水輪機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)并通過(guò)磁力耦合驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)增速，具有多能互補(bǔ)、高效獲能、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，為規(guī)?；Ｑ竽荛_(kāi)發(fā)提供創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。         意向開(kāi)展成果轉(zhuǎn)化的前提條件：中試放大及產(chǎn)業(yè)化工藝開(kāi)發(fā)資金支持

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(xué)器件，部分取代電子學(xué)集成電路中的信號(hào)處理和互聯(lián)器件，這就要求光子學(xué)器件具有像電子學(xué)集成那樣的小尺度和三維集成能力，同時(shí)具有和電子學(xué)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(zhàn)，是一個(gè)世界性的難題。 光學(xué)所張家森教授團(tuán)隊(duì)與信息科學(xué)學(xué)院彭練矛教授團(tuán)隊(duì)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(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)有的COMS制備工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)光子學(xué)和電子學(xué)的三維集成和互聯(lián)，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(zhǎng)和偏振復(fù)用回路和具有COMS信號(hào)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(xué)模塊、電子學(xué)信號(hào)處理系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)；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(xué)集成和電子學(xué)集成在材料上兼容；3. 基于表面等離激元使得光子學(xué)器件尺度可以和電子學(xué)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(gè)通訊波段，這是硅材料無(wú)法做到的；5. 光電探測(cè)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(shí)現(xiàn)三維光電混合集成，可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同時(shí)，有可能解決電子學(xué)集成回路在速度上的瓶頸。 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果近期發(fā)表于最新一期《自然 電子學(xué)》雜志。 相關(guān)文獻(xiàn)：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).

近年來(lái),半導(dǎo)體光源正以新型固體光源的角色逐步進(jìn)入照明領(lǐng)域。由于半導(dǎo)體照明具有高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、耐振動(dòng)、易維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn),所以在國(guó)際上被公認(rèn)為最有可能進(jìn)入通用照明領(lǐng)域的新型固態(tài)冷光源。隨著其價(jià)格的不斷降低,發(fā)光亮度的不斷提高,半導(dǎo)體光源在照明領(lǐng)域中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。業(yè)界普遍認(rèn)為,半導(dǎo)體燈取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈,是大勢(shì)所趨。而半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode , 簡(jiǎn)稱(chēng)LED）被認(rèn)為是最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種綠色照明光源，按固體發(fā)光物理學(xué)原理,LED發(fā)光效率能近似100 % ,并具有工作電壓低、耗電量小、發(fā)光效率高、響應(yīng)時(shí)間極短、光色純、抗沖擊、性能穩(wěn)定可靠及成本低等優(yōu)點(diǎn),因此被譽(yù)為21 世紀(jì)新光源,有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源。雖然LED具有以上的很多優(yōu)點(diǎn)，但是發(fā)光效率和使用壽命仍是制約其普及應(yīng)用的主要因素。 目前國(guó)內(nèi)大多致力于LED外部封裝結(jié)構(gòu)的研究，而公司里多采用進(jìn)口芯片，如cree芯片，再在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行外部封裝結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。而即便是散熱好，壽命長(zhǎng)，取光效率比較好的封裝結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)所能達(dá)到的水平也就是剛剛超出100lm/w。主要原因在于其封裝材料的選擇和封裝結(jié)構(gòu)的不合理性，浪費(fèi)了芯片的出射光，從而降低了取光效率。而國(guó)外LED不僅在外部封裝結(jié)構(gòu)，而且在芯片方向都明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)水平，所以基本壟斷國(guó)內(nèi)LED的市場(chǎng)，尤其對(duì)于功率型白光LED的壟斷相當(dāng)嚴(yán)重。而這些高亮度半導(dǎo)體LED芯片生產(chǎn)技術(shù)掌握在以美國(guó)Cree和Lumileds、日本的Nichia和Toyoda Gosei，以及歐洲的Osram等為首的少數(shù)大公司手中。 現(xiàn)在功率型白光LED 的光效已提高到80～100lmPW,而真正能夠取代白熾燈和熒光燈進(jìn)入通用照明市場(chǎng),其光效需要達(dá)到150lm/ W。這一方面要求在芯片的制作上不斷提高LED 的量子效率,同時(shí)還要求在LED 的封裝及燈具的設(shè)計(jì)制作過(guò)程中盡可能提高出光效率。現(xiàn)有的LED出光效率低的原因之一是，LED芯片的折射率較高，LED發(fā)出的光在出射芯片的時(shí)候，有相當(dāng)一部分光被芯片與外界（環(huán)氧樹(shù)脂）的界面反射。本產(chǎn)品是通過(guò)特殊鍍膜方法，使LED芯片出光效率提高了10%?？梢杂行У脑黾覮ED的使用壽命，達(dá)到2萬(wàn)小時(shí)以上，而且可以使發(fā)光效率達(dá)到120lm/w到160lm/w。擁有這樣長(zhǎng)壽命和高出光效率的白光LED，必將引領(lǐng)整個(gè)照明市場(chǎng)，必將產(chǎn)生豐厚的利潤(rùn)，具有非常好的發(fā)展前景。

目前，國(guó)產(chǎn)集成電路“缺芯少減”的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，特別是在編程邏輯器件被美國(guó)幾家著名大公司所壟斷.國(guó)內(nèi)與固外差距巨大，可編程器件目前廣泛應(yīng)用于通信航天航空導(dǎo)航遙感遙測(cè)。大的應(yīng)用需R和發(fā)展前展。本項(xiàng)目針對(duì)嵌入了處理器的SoPC芯片(SystemonPogrammableChip)具有該現(xiàn)狀，與成都華微公司合作,研制了完全自主可控的SoPC芯片。

硅芯片是當(dāng)代信息技術(shù)的核心，當(dāng)前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個(gè)方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用是“超越摩爾”技術(shù)路線中相當(dāng)重要的一環(huán)，需要數(shù)量巨大的集成電路芯片來(lái)分析處理來(lái)自外部傳感器件的海量信號(hào)。目前，大多數(shù)傳感信號(hào)采集器件和信號(hào)處理單元均為分離設(shè)計(jì)，將在整體上產(chǎn)生更大功耗并占據(jù)更大的空間。由此，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授梅永豐課題組提出了將信號(hào)檢測(cè)和分析功能集成于同一個(gè)芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團(tuán)隊(duì)將單晶硅薄膜柔性光電晶體管與智能薄膜材料相結(jié)合和組裝，構(gòu)造了對(duì)不同環(huán)境變量進(jìn)行檢測(cè)和分析的柔性硅芯片傳感器及其系統(tǒng)。這一思路不僅具有優(yōu)異的可擴(kuò)展性，還可與當(dāng)前集成電路先進(jìn)制造工藝相兼容。5月2日，相關(guān)研究結(jié)果以《面向智能數(shù)字灰塵的硅納米薄膜光電晶體管多功能集成傳感器研究》（“Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust”）為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。研究團(tuán)隊(duì)從器件的傳感機(jī)理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實(shí)現(xiàn)了多種環(huán)境參數(shù)探測(cè)功能的集成。圖1：(A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學(xué)顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測(cè)器件的電流變化，紅色為參比電流，藍(lán)色為檢測(cè)電流。智能材料在環(huán)境刺激中可以發(fā)生折射率、顏色、晶體結(jié)構(gòu)等方面的光學(xué)性質(zhì)變化，但一般需要光譜設(shè)備或比色卡才能進(jìn)行比對(duì)。而翻轉(zhuǎn)的硅薄膜光電晶體管由于沒(méi)有柵極金屬阻擋功能區(qū)域的光信號(hào)吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區(qū)，智能材料內(nèi)部物理性質(zhì)變化引起了微小光學(xué)性能改變，從而表現(xiàn)在輸出的光電流上，因此可以在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)。圖1A展示了傳感器件典型的功能層結(jié)構(gòu)，頂層的智能薄膜材料對(duì)環(huán)境刺激發(fā)生響應(yīng)，進(jìn)而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號(hào)。具有2微米厚的熱氧化二氧化硅層則作為光電晶體管的封裝，對(duì)下方器件進(jìn)行保護(hù)。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級(jí)先進(jìn)集成電路工藝方法制備而成，結(jié)合了傳統(tǒng)硅基光電子器件的高性能和硅納米薄膜超薄厚度下的優(yōu)良柔性。圖1B是貼附于半徑僅為2毫米直徑玻璃管上的柔性器件陣列，表現(xiàn)出良好的彎曲性能。圖1C是單個(gè)器件功能區(qū)域的特寫(xiě)，在藍(lán)色虛框部分集成不同智能材料即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境信號(hào)的檢測(cè)。圖1D是具有完備傳感與數(shù)據(jù)處理功能的柔性系統(tǒng)合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲(chǔ)單元、信號(hào)放大器和電源。研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中濕度的實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)，演示的信號(hào)為依次減小的三個(gè)濕度脈沖。整個(gè)過(guò)程中直接對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)的信號(hào)，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時(shí)間的變化如圖1E中所示。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化（如圖所示通入氫氣），傳感器件的輸出電流大幅增加，而參比電流保持平穩(wěn)，再利用差分電路處理，即可給出所檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)的值。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了將智能材料與光電傳感結(jié)合的新穎傳感機(jī)制，并將傳感模塊與后續(xù)信號(hào)處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、濕度、溫度等多種環(huán)境參數(shù)檢測(cè)方面的能力，已經(jīng)初步具備了未來(lái)的“智能數(shù)字灰塵”的雛形。該策略也可以應(yīng)用于其他的數(shù)字傳感系統(tǒng)，在后摩爾時(shí)代中將具有巨大的應(yīng)用潛力。論文主要由李恭謹(jǐn)博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國(guó)延世大學(xué)Taeyoon Lee教授和中科院微系統(tǒng)所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)和專(zhuān)用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等大力支持。

（ (A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學(xué)顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測(cè)器件的電流變化，紅色為參比電流，藍(lán)色為檢測(cè)電流 ）