近日，第71屆IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM，國際電子器件大會)于2025年12月6日至10日在美國舊金山召開。IEEE IEDM是電子器件領(lǐng)域的國際知名會議，是報告半導(dǎo)體和電子器件技術(shù)、設(shè)計、制造、物理和建模等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破的世界著名論壇，其與ISSCC、VLSI并稱為集成電路和半導(dǎo)體領(lǐng)域的“奧林匹克盛會”。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（后簡稱中國科大）微電子學(xué)院在光電子及功率電子器件領(lǐng)域的4項進展被大會接收。
寬光譜高分辨圖像傳感器新進展
寬光譜成像技術(shù)在自動駕駛、環(huán)境監(jiān)測、安全檢查和醫(yī)療診斷等諸多領(lǐng)域具有關(guān)鍵意義。然而，要同時捕獲目標的多維度信息，通常需要集成不同材料體系的探測器以實現(xiàn)多波段感知，這將顯著提升系統(tǒng)構(gòu)筑的復(fù)雜性和工藝制造成本。金屬鹵化物鈣鈦礦具有強吸收、長載流子擴散距離、良好的輻射穩(wěn)定性、帶隙可調(diào)等一系列優(yōu)異特性，目前已經(jīng)在X射線探測、弱光探測等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大潛力。然而如何將鈣鈦礦光電子器件異質(zhì)集成到傳統(tǒng)半導(dǎo)體基底上，制備高性能的異質(zhì)集成芯片依然極具挑戰(zhàn)。近日，我校胡芹特任研究員團隊成功開發(fā)出一種新型鈣鈦礦/硅基CMOS異質(zhì)集成的高分辨圖像傳感器，成功實現(xiàn)了從近紅外到X射線波段的超寬譜段（850 nm-40 keV）探測。
研發(fā)團隊通過對單元器件結(jié)構(gòu)、匹配CMOS讀出電路、異質(zhì)沉積工藝的協(xié)同設(shè)計優(yōu)化，成功將鈣鈦礦光電探測器與硅基CMOS讀出芯片集成，制備出從近紅外到X射線的寬光譜圖像傳感器（圖1a和1b）。該傳感器陣列規(guī)模為640 × 512，像元間距為15 μm。得益于精細優(yōu)化的器件設(shè)計和集成工藝，芯片成像清晰（圖1c），光響應(yīng)非均勻性僅為3.1%（圖1d）。在白光、軟 X 射線及硬 X 射線輻照下的成像結(jié)果表明，該芯片能夠獲得細節(jié)豐富、紋理清晰的高質(zhì)量圖像。此外，在軟X射線輻照范圍，該芯片在850 eV輻照下量子效率達到最高（圖1e）；在硬 X 射線輻射下，其空間分辨率達到15.3 lp/mm。當集成芯片暴露于10 kV 的X射線脈沖時，雙脈沖易化指數(shù)為1.43，顯示出該圖像傳感器具備實現(xiàn)感內(nèi)計算的智能傳感潛力（圖1f-h）。
相關(guān)成果以 “A Multispectral Image Sensor based on Perovskite/CMOS Integrated Chip with Response from Near-Infrared (850 nm) to X-Ray (40 keV)” 為題發(fā)表在IEDM 2025上。我校微電子學(xué)院胡芹特任研究員以及國家同步輻射實驗室（合肥光源）劉嘯嵩教授為論文的共同通訊作者，博士生譚鵬舉、楊碩和碩士生劉天宇為論文的共同第一作者。北京理工大學(xué)唐鑫教授、合肥光源關(guān)勇高級工程師等參與了該工作的聯(lián)合研究。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
圖1 （a）面向診斷機器人的寬光譜圖像傳感器愿景以及圖像傳感器結(jié)構(gòu)；（b）圖像傳感器芯片實拍圖及像素的SEM俯視圖；（c）白光下的成像結(jié)果；（d）532 nm光下像素響應(yīng)分布；（e）不同軟X射線下的量子效率；（f）硬X射線下的成像結(jié)果；（g）連續(xù)硬X射線脈沖下的Ip隨時間變化曲線；（h）利用斜邊法提取的該設(shè)備的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線。
氧化鎵基感存算一體器件新進展
面向新一代智能光電探測系統(tǒng)的發(fā)展需求，發(fā)展傳感、存儲與計算一體化器件，被認為是突破傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)瓶頸、降低系統(tǒng)延遲與功耗的重要途徑之一。然而，現(xiàn)有光電器件難以同時兼顧信息傳感、存儲與計算能力，尤其是在成熟硅基平臺上實現(xiàn)多功能一體化仍面臨巨大挑戰(zhàn)。針對上述問題，龍世兵教授團隊基于極化誘導(dǎo)載流子分離機制，設(shè)計并研制了一種超寬禁帶 Ga2O3/AlN/Si光電晶體管，在硅基平臺上實現(xiàn)了集探測-存儲-計算于一體的多功能器件（圖2a）。
得益于 Al 極性 AlN 層在 Ga2O3/AlN 界面引入的強極化電場，器件中的 Ga2O3 溝道層實現(xiàn)了完全耗盡，從而顯著抑制暗電流并確保器件在深紫外光照下獲得較高的響應(yīng)度（圖2b）。此外，該極化電場不僅可驅(qū)動光生載流子在無外加偏壓條件下自動分離，還能促進空穴在 Ga2O3/AlN 界面處的非易失俘獲，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的光電存儲功能（圖2c），器件表現(xiàn)出約10 V的存儲窗口、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性及保持特性。更進一步，Ga2O3 體缺陷主導(dǎo)的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)又賦予器件可調(diào)控的短時記憶特性，使其能夠模擬神經(jīng)突觸的對脈沖增強等類腦行為，實現(xiàn)對感知信號的計算處理能力（圖2d）?；谠撈骷?gòu)建的物理儲備計算系統(tǒng)，在運動方向識別任務(wù)中實現(xiàn)了較高的識別準確率，展現(xiàn)出優(yōu)異的時序信息處理能力（圖2e）。該工作證明，在成熟的硅基平臺上構(gòu)建的極化效應(yīng)輔助的Ga2O3/AlN/Si光電晶體管在先進感內(nèi)存儲和計算應(yīng)用方面的巨大潛力，為新型智能光電探測芯片的單片集成提供了重要參考。
相關(guān)研究成果以 “UWBG Ga2O3/AlN DUV Phototransistors on Si Platform for In-sensor Memory and Computing based on Polarization-Induced Carrier Separation Strategy” 為題發(fā)表于IEDM 2025。我校微電子學(xué)院龍世兵教授、趙曉龍?zhí)厝谓淌凇⒑钚』⑻厝胃毖芯繂T和國防科技大學(xué)王偉副研究員為論文通訊作者，博士生王藝霖、吳文韜和碩士生韓可舉為論文的共同第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃的資助，也得到了中國科大微納研究與制造中心在器件制備方面的支持。
圖2 極化效應(yīng)輔助的氧化鎵光電晶體管及基本特性。（a）結(jié)構(gòu)：氧化鎵光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；（b）傳感：氧化鎵光電晶體管作為探測器表現(xiàn)出極低的暗電流和較高的響應(yīng)度；（c）存儲：圖為該晶體管作為光電存儲器時的工作模式，其具備無偏壓光寫入特性；（d）計算：光脈沖序列觸發(fā)對氧化鎵晶體管的類神經(jīng)突觸權(quán)重調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對信息的感知與計算；（e）應(yīng)用：基于該晶體管構(gòu)建的物理儲備計算系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標物體運動方向的準確識別。
微型紫外光譜成像儀與光電邏輯器件新進展
紫外光譜分析與高光譜成像技術(shù)在藥品分析、生物檢測、環(huán)境監(jiān)測以及有機與生物物質(zhì)鑒別等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)光譜儀和高光譜成像系統(tǒng)通常依賴光柵、濾波片陣列等體積較大的光學(xué)元件，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大，而且難以實現(xiàn)片上集成與實時成像，限制了其在便攜化和芯片級應(yīng)用中的發(fā)展。近年來，基于計算重構(gòu)的微型化光譜儀逐漸受到關(guān)注，但相關(guān)研究主要集中在可見光和近紅外波段，面向紫外波段的微型化光譜與成像方案仍面臨材料響應(yīng)、器件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)集成等多方面挑戰(zhàn)。
面向紫外光譜分析、小型化光譜成像及片上集成應(yīng)用需求，中國科大微電子學(xué)院孫海定教授iGaN實驗室關(guān)于微型片上光譜成像與光電邏輯器件的工作順利被大會接收并發(fā)表。研究團隊提出了一種基于背對背光電二極管（Back-to-Back Photodiode, BtB-PD）的微型化片上紫外光譜成像與光電邏輯一體化方案。該器件采用 AlGaN 基 n-i-p 二極管與 GaN 基 p-i-n 結(jié)構(gòu)二極管的背對背垂直集成設(shè)計（圖 3a），該器件具有電壓可調(diào)的光譜響應(yīng)（圖3b）以及雙極性光電流輸出特性。器件在紫外波段表現(xiàn)出優(yōu)異的光電探測性能，在 355 nm 和 255 nm 波長下分別實現(xiàn)了 450 mA/W 和 -155 mA/W 的高響應(yīng)度，響應(yīng)時間為納秒級（圖3d）。依托器件電壓可調(diào)的光譜響應(yīng)特性，研究團隊構(gòu)建了微型片上紫外光譜儀，實現(xiàn)了 255-365 nm 波段范圍內(nèi)的光譜重構(gòu)（圖3c），峰值波長分辨率優(yōu)于 2 nm。在前述工作的基礎(chǔ)上，團隊進一步改進器件結(jié)構(gòu)，在外延結(jié)構(gòu)中引入 Al 組分漸變層，從而細化了器件對相近波長紫外光譜的分辨能力，峰值波長重構(gòu)誤差達到 0.62 nm。結(jié)合高質(zhì)量外延生長工藝，器件的響應(yīng)速度得到進一步提升，實現(xiàn)了高光譜分辨率、快速響應(yīng)的片上紫外光譜成像，該工作順利被國際光學(xué)領(lǐng)域著名期刊自然光子學(xué)（Nature Photonics）期刊接收并發(fā)表（Nat. Photon. 19, 1322-1329 (2025)）。
團隊進一步利用 BtB-PD 在不同波長、強度的紫外光調(diào)制下產(chǎn)生的雙極性光電流特性，展示了多種光學(xué)可控邏輯功能。通過調(diào)控入射紫外光的波長與強度，在單個器件結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了 “AND”、“OR”、“NAND”、“NOR” 和 “NOT” 等多種邏輯運算功能（圖3e-f），為光電融合計算與片上智能感知系統(tǒng)提供了新的實現(xiàn)路徑。該成果以 “A Back-to-Back Photodiode for Miniaturized Ultraviolet Hyperspectral Imager and Optical Logic Gates” 為題發(fā)表于 IEDM 2025。論文共同第一作者為我校微電子學(xué)院博士生高志祥和博士后余華斌，孫海定教授為論文通訊作者，該工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃項目的支持，器件制備主要在中國科大微納加工制造中心完成。
圖3 （a）GaN/AlGaN基背對背光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖；（b）電壓可調(diào)的光譜響應(yīng)特性；（c）光譜重構(gòu)結(jié)果與商用光譜儀對比；（d）超快的響應(yīng)速度；（e）在不同光照強度下的可重構(gòu)光電邏輯門；（f）光電邏輯門讀出真值示例。
氮化鎵/金剛石功率集成電路最新研究進展
半橋功率電路是DC-DC、DC-AC等電能變換器的常用拓撲結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)中心、新能源汽車、光伏逆變等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。傳統(tǒng)半橋功率電路通常采用n溝道晶體管（n-FET）串聯(lián)構(gòu)成，然而，因上管源極電位浮空，易在高頻高壓開關(guān)瞬態(tài)中出現(xiàn)串擾或柵源電壓振蕩問題。若采用p溝道晶體管（p-FET）作為上管、n-FET作為下管的互補型半橋功率電路，上管源極連接到固定的母線電壓，可有效克服上述串擾/振蕩問題，在高頻高壓開關(guān)瞬態(tài)中實現(xiàn)穩(wěn)定的柵極驅(qū)動電壓。寬禁帶半導(dǎo)體GaN HEMT具有高濃度、高電子遷移率的二維電子氣（2DEG）溝道，是構(gòu)建互補型半橋功率電路的理想n-FET。然而，因其空穴遷移率較低，當前GaN基p-FET導(dǎo)通性能與高性能n-FET存在明顯差距。另一方面，超寬禁帶半導(dǎo)體金剛石具有高擊穿場強和高熱導(dǎo)率，氫終端金剛石表面亦可形成高濃度、較高空穴遷移率的二維空穴氣（2DHG）溝道，與具有2DEG的GaN HEMT成為構(gòu)建互補型功率集成電路的理想組合。
針對上述傳統(tǒng)功率半橋電路在高頻開關(guān)中的串擾/振蕩問題，楊樹教授研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)出基于常關(guān)型金剛石p-FET與GaN n-FET的互補型功率集成電路。通過低功函數(shù)柵金屬調(diào)控閾值電壓，在氫終端金剛石p-FET中實現(xiàn)了常關(guān)型操作，同時維持較低導(dǎo)通電阻，其功率品質(zhì)因數(shù)~10 MW/cm2，在已報道的常關(guān)型金剛石與GaN功率p-FET中較為先進。此外，通過高速脈沖測試驗證了該金剛石p-FET具有良好的閾值穩(wěn)定性。所研制的高性能金剛石p-FET與GaN n-FET具有良好的電流匹配能力。在此基礎(chǔ)上，研究團隊成功開發(fā)出金剛石/GaN互補型功率集成電路，并實驗驗證了互補型功率集成電路可在高壓高頻開關(guān)過程中有效抑制柵極驅(qū)動電壓振蕩與串擾，優(yōu)于傳統(tǒng)功率半橋電路，有望為下一代高頻、高可靠功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供解決方案。
相關(guān)研究成果以 “Demonstration of Complementary Power Circuit With Normally-Off Diamond P-FET and GaN N-FET” 為題發(fā)表于IEDM 2025上。我校微電子學(xué)院博士生儲宸悅與杜佳宏為論文的共同第一作者，我校楊樹教授與安徽大學(xué)唐曦教授為論文通訊作者，該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項等項目的資助。
圖4 （a）傳統(tǒng)雙n-FET串聯(lián)半橋功率電路示意圖；（b）互補型半橋功率電路示意圖、常關(guān)型金剛石p-FET與GaN n-FET器件結(jié)構(gòu)示意圖；（c）常關(guān)型金剛石及GaN p-FETs性能對標；（d）金剛石/GaN互補型功率集成電路；（e）高壓高頻開關(guān)過程中上管金剛石p-FET與下管GaN n-FET柵極驅(qū)動電壓波形。
（來源：中國科大微電子學(xué)院）
