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通信感知一體化氮化鎵光電子集成芯片

研究背景芯片是人類最偉大的發(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、電腦、數(shù)碼相機，大到6G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算均基于芯片技術(shù)的不斷突破。半導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(nèi)晶體管單元已經(jīng)接近分子尺度，半導體制作工藝的“瓶頸效應(yīng)”越來越明顯。隨著全球化以及科技的高速發(fā)展，急劇增長的龐大數(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，帶來的結(jié)果就是對計算能力和系統(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、功耗增加以及計算力瓶頸等現(xiàn)象，已越來越難以滿足大數(shù)據(jù)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(yè)界面臨的緊要問題。如當年集成電路開創(chuàng)信息時代一樣，當下已經(jīng)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(fā)展趨勢已是必然。相對于電子驅(qū)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(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的光子芯片，具有非常廣闊的發(fā)展空間和巨大的潛能。項目功能本項目瞄準光通信關(guān)鍵技術(shù)及核心芯片，基于量子阱二極管發(fā)光探測共存現(xiàn)象，探索關(guān)鍵微納制造技術(shù)，研制出可以同時實現(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)原理及可行性本項目主要負責人王永進教授發(fā)現(xiàn)如圖1所示的量子阱二極管發(fā)光探測共存現(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，化合物半導體同質(zhì)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(shù)，在藍寶石氮化物晶圓上實現(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(zhì)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(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量子阱二極管可實現(xiàn)Gbps的光發(fā)射、調(diào)制和探測速率(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w同質(zhì)集成光電子芯片以實現(xiàn)片上光子通信是可行的。二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)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(guī)的藍寶石襯底氮化鎵基多量子阱LED外延片進行設(shè)計，無需特殊定制的外延結(jié)構(gòu)。以典型的2寸氮化鎵基藍光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(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(jié)構(gòu)。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(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化了其后期的封裝工藝。三、技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)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(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； 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(zhì)集成器件的基板也較異質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡單統(tǒng)一，極大地縮短了集成系統(tǒng)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(zhì)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(chǎn)，有效地降低了生產(chǎn)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(shù)與經(jīng)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(shù)與電學參數(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，本項目利用單個多功能集成器件成功實現(xiàn)了對人體脈搏的監(jiān)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(xiàn)了照明、成像和探測功能為一體的LED陣列系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)可以在點亮照明的同時，實現(xiàn)對外界光信號的探測與感知，通過后端系統(tǒng)處理后，再將信息通過陣列顯示出來，實現(xiàn)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(yōu)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(shù)期刊發(fā)表一系列高質(zhì)量研究論文，獲授權(quán)中國發(fā)明專利23項，美國發(fā)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(shù)獎（自然科學）、2019年南京市十大重大原創(chuàng)成果獎等。

南京郵電大學 2021-05-11

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