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研究背景 芯片是人類最偉大的發明之一，也是現代電子信息產業的基礎和核心。小到手機、電腦、數碼相機，大到6G、物聯網、云計算均基于芯片技術的不斷突破。半導體光刻工藝水平的發展是以芯片為核心的電子信息產業的基石，目前半導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越小，芯片內晶體管單元已經接近分子尺度，半導體制作工藝的“瓶頸效應”越來越明顯。隨著全球化以及科技的高速發展，急劇增長的龐大數據量要求數據處理模型和算法結構不斷優化升級，帶來的結果就是對計算能力和系統功耗的要求不斷提高。而目前智能電子設備大多存在傳輸瓶頸、功耗增加以及計算力瓶頸等現象，已越來越難以滿足大數據時代對計算力與功耗的需求，因此提高運算速度同時降低運算功耗是目前信息工業界面臨的緊要問題。 如當年集成電路開創信息時代一樣，當下已經普及的光通信正在成為新革命力量的開路先鋒。與此同時，光子芯片正在從分立式器件向集成光路演進，光子芯片向小型化、集成化的發展趨勢已是必然。相對于電子驅動的集成電路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特點，利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的光子芯片，具有非常廣闊的發展空間和巨大的潛能。 項目功能 本項目瞄準光通信關鍵技術及核心芯片，基于量子阱二極管發光探測共存現象，探索關鍵微納制造技術，研制出可以同時實現通信、感知功能的一體化光電子芯片。 技術路線 一、技術原理及可行性 本項目主要負責人王永進教授發現如圖1所示的量子阱二極管發光探測共存現象，首次研制出同質集成發射、傳輸、調制和接收器件的光電子芯片，這些原創工作引起了業界相關科研小組地廣泛關注，化合物半導體同質集成光電子芯片成為研究熱點。香港大學的蔡凱威小組和申請人合作提出濕法刻蝕和激光選擇性剝離技術，在藍寶石氮化物晶圓上實現LED基同質集成光電子芯片(Optica 5, 564-569 (2018))。沙特阿卜杜拉國王科技大學Ooi教授和美國加州大學圣巴巴拉分校Nakamura教授小組在藍寶石氮化物晶圓上，研制出基于氮化物激光器的同質集成光電子芯片(Opt. Express 26, A219(2018))。中科院蘇州納米所孫錢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集成光電子芯片(IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24, 8200305 (2018))。在NRZ-OOK調制方式下，InGaN/GaN量子阱二極管可實現Gbps的光發射、調制和探測速率(Appl. Phys. Express 13, 014001 (2020))。這些工作表明研發基于光子傳輸的化合物半導體同質集成光電子芯片以實現片上光子通信是可行的。   二、總體結構設計及工藝流程 本項目提出的同時通信/感知一體化光電子芯片基于常規的藍寶石襯底氮化鎵基多量子阱LED外延片進行設計，無需特殊定制的外延結構。以典型的2寸氮化鎵基藍光LED外延片為例，其外延片結構如圖2所示，從下至上依次為藍寶石襯底、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，通過調節InGaN/GaN多量子阱層的參數（層厚度與In的比例等等）可制備具有不同中心波長的光源器件。   圖3為本項目所提出的同時通信/感知一體化光電子芯片結構。在藍寶石襯底的氮化物晶圓上通過刻蝕和沉積等一系列晶圓級微納加工技術，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直接與基板相連，光線從透明的藍寶石襯底發出，這樣不僅使得器件具有優良的電性能和熱特性而且簡化了其后期的封裝工藝。 三、技術創新優勢 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PD對藍寶石表面反射光線的耦合，提升感知系統性能，而且縮小了器件整體外形，符合集成電子器件小型化、便攜化的發展趨勢； 2、單片集成的LED和PD器件相比于傳統異質的、分立的LED和PD簡化了封裝形式和工藝，不再需要對LED和PD進行單獨的封裝，而且同質集成器件的基板也較異質結構的簡單統一，極大地縮短了集成系統的制作周期； 3、同時通信/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，簡化了生長異質材料的復雜性，縮短了器件流片的周期，使用同一工藝就可將LED和PD進行批量生產，有效地降低了生產成本。 四、實驗驗證 本項目團隊所在的Peter Grünberg研究中心擁有完整的LED器件制備、光電性能測試與電學性能測試平臺，并且項目成員積累了豐富的測試技術與經驗，能夠滿足本項目的同時通信/感知一體化光電子芯片測試同時表征光電參數與電學參數的需求。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，本項目利用單個多功能集成器件成功實現了對人體脈搏的監測功能，如圖5所示。   另外基于通信感知一體化氮化鎵光電子芯片，我們還實現了照明、成像和探測功能為一體的LED陣列系統，如圖6所示。該系統可以在點亮照明的同時，實現對外界光信號的探測與感知，通過后端系統處理后，再將信息通過陣列顯示出來，實現多種功能的集成。 項目負責人王永進教授是國家自然基金委優秀青年項目、國家973項目獲得者，他以第一或通訊作者身份在Light-Sci Appl.等主流學術期刊發表一系列高質量研究論文，獲授權中國發明專利23項，美國發明專利2項，被National Science Review、Semiconductor Today等做9次專題報道，榮獲2019年中國電子學會科學技術獎（自然科學）、2019年南京市十大重大原創成果獎等。

項目采用了中山大學自主研發的低損耗低應力超低溫氮化硅材料平臺，研制了一系列光子集成的關鍵 器件

 基于硅材料和CMOS工藝制備光電子器件及其集成技術，可實現低成本、批量化生產，并具有和微電子單片集成的潛力，是目前國際光電子前沿研究領域。該技術不僅可以用于片上光互連，也可為骨干網、光接入網和數據中心提供高性能、低成本收發模塊。 在國家973計劃項目《超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術基礎研究》的支持下，針對硅基材料不具備線性電光效應、而利用自由載流子等離子色散效應實現電光調節效率低、功耗高等科學難題，提出了一系列解決思路和具有創新性的器件結構，形成了硅基光電子集成器件設計方法和基于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。 該技術不僅為我國硅基光電子集成技術的發展和華為等知名電信設備企業新一代產品提供了有力的技術支撐，也引起了國際同行的密切關注。美國光學學會《Optics & Photonics News》曾出版專題報道“Integrated Photonics in China”，對本項目的部分工作進行了介紹。2014年底，Nature Photonics將本項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：封裝后的結構，右：性能測試結果）為華為公司研制的400G可調光模塊。

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，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。

        技術成熟度：技術突破         目前的潮流能發電機組以直驅液壓變槳及帶變速箱的液壓變槳為主，其發電機和變速箱均采取機械動密封方式進行密封防水處理，海洋環境下，機械動密封的可靠性和運行效率往往沖突，密封層級多運行阻力大，效率低，密封層級少，密封可靠性差，機組的運行可靠性大大降低。光伏、波浪、海流一體化集成發電，波浪能與海流能水輪機對轉并通過磁力耦合驅動發電機增速，具有多能互補、高效獲能、轉換效率高、結構簡單、運行可靠等特點，為規模化海洋能開發提供創新型設計。         意向開展成果轉化的前提條件：中試放大及產業化工藝開發資金支持

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).

近年來,半導體光源正以新型固體光源的角色逐步進入照明領域。由于半導體照明具有高效、節能、環保、使用壽命長、響應速度快、耐振動、易維護等顯著優點,所以在國際上被公認為最有可能進入通用照明領域的新型固態冷光源。隨著其價格的不斷降低,發光亮度的不斷提高,半導體光源在照明領域中展現了廣泛的應用前景。業界普遍認為,半導體燈取代傳統的白熾燈和熒光燈,是大勢所趨。而半導體發光二極管（Light Emitting Diode , 簡稱LED）被認為是最有可能進入普通照明領域的一種綠色照明光源，按固體發光物理學原理,LED發光效率能近似100 % ,并具有工作電壓低、耗電量小、發光效率高、響應時間極短、光色純、抗沖擊、性能穩定可靠及成本低等優點,因此被譽為21 世紀新光源,有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。雖然LED具有以上的很多優點，但是發光效率和使用壽命仍是制約其普及應用的主要因素。 目前國內大多致力于LED外部封裝結構的研究，而公司里多采用進口芯片，如cree芯片，再在現有基礎上進行外部封裝結構和設計。而即便是散熱好，壽命長，取光效率比較好的封裝結構，國內所能達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構的不合理性，浪費了芯片的出射光，從而降低了取光效率。而國外LED不僅在外部封裝結構，而且在芯片方向都明顯優于國內水平，所以基本壟斷國內LED的市場，尤其對于功率型白光LED的壟斷相當嚴重。而這些高亮度半導體LED芯片生產技術掌握在以美國Cree和Lumileds、日本的Nichia和Toyoda Gosei，以及歐洲的Osram等為首的少數大公司手中。 現在功率型白光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入通用照明市場,其光效需要達到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,同時還要求在LED 的封裝及燈具的設計制作過程中盡可能提高出光效率。現有的LED出光效率低的原因之一是，LED芯片的折射率較高，LED發出的光在出射芯片的時候，有相當一部分光被芯片與外界（環氧樹脂）的界面反射。本產品是通過特殊鍍膜方法，使LED芯片出光效率提高了10%。可以有效的增加LED的使用壽命，達到2萬小時以上，而且可以使發光效率達到120lm/w到160lm/w。擁有這樣長壽命和高出光效率的白光LED，必將引領整個照明市場，必將產生豐厚的利潤，具有非常好的發展前景。

目前，國產集成電路“缺芯少減”的現象非常嚴重，特別是在編程邏輯器件被美國幾家著名大公司所壟斷.國內與固外差距巨大，可編程器件目前廣泛應用于通信航天航空導航遙感遙測。大的應用需R和發展前展。本項目針對嵌入了處理器的SoPC芯片(SystemonPogrammableChip)具有該現狀，與成都華微公司合作,研制了完全自主可控的SoPC芯片。

硅芯片是當代信息技術的核心，當前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個方向發展。物聯網（IoT）應用是“超越摩爾”技術路線中相當重要的一環，需要數量巨大的集成電路芯片來分析處理來自外部傳感器件的海量信號。目前，大多數傳感信號采集器件和信號處理單元均為分離設計，將在整體上產生更大功耗并占據更大的空間。由此，復旦大學材料科學系教授梅永豐課題組提出了將信號檢測和分析功能集成于同一個芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團隊將單晶硅薄膜柔性光電晶體管與智能薄膜材料相結合和組裝，構造了對不同環境變量進行檢測和分析的柔性硅芯片傳感器及其系統。這一思路不僅具有優異的可擴展性，還可與當前集成電路先進制造工藝相兼容。5月2日，相關研究結果以《面向智能數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”）為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究團隊從器件的傳感機理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實現了多種環境參數探測功能的集成。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的光學顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統構造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流。智能材料在環境刺激中可以發生折射率、顏色、晶體結構等方面的光學性質變化，但一般需要光譜設備或比色卡才能進行比對。而翻轉的硅薄膜光電晶體管由于沒有柵極金屬阻擋功能區域的光信號吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點，研究團隊將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區，智能材料內部物理性質變化引起了微小光學性能改變，從而表現在輸出的光電流上，因此可以在同一個芯片上實現對多種不同信號的同時檢測。圖1A展示了傳感器件典型的功能層結構，頂層的智能薄膜材料對環境刺激發生響應，進而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號。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，對下方器件進行保護。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級先進集成電路工藝方法制備而成，結合了傳統硅基光電子器件的高性能和硅納米薄膜超薄厚度下的優良柔性。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，表現出良好的彎曲性能。圖1C是單個器件功能區域的特寫，在藍色虛框部分集成不同智能材料即可實現對不同環境信號的檢測。圖1D是具有完備傳感與數據處理功能的柔性系統合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲單元、信號放大器和電源。研究團隊利用該系統實現了對環境中濕度的實時、快速檢測，演示的信號為依次減小的三個濕度脈沖。整個過程中直接對環境變化做出響應的信號，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時間的變化如圖1E中所示。當環境發生變化（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，再利用差分電路處理，即可給出所檢測的環境參數的值。研究團隊開發了將智能材料與光電傳感結合的新穎傳感機制，并將傳感模塊與后續信號處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、濕度、溫度等多種環境參數檢測方面的能力，已經初步具備了未來的“智能數字灰塵”的雛形。該策略也可以應用于其他的數字傳感系統，在后摩爾時代中將具有巨大的應用潛力。論文主要由李恭謹博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國延世大學Taeyoon Lee教授和中科院微系統所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學和專用集成電路與系統國家重點實驗室等大力支持。

（ (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的光學顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統構造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流 ）