中國科大在圖像傳感器及光譜成像儀等領域的研究進展入選IEDM 2025

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是電子器件領域的國際知名會議，是報告半導體和電子器件技術、設計、制造、物理和建模等領域的關鍵技術突破的世界著名論壇，其與ISSCC、VLSI并稱為集成電路和半導體領域的“奧林匹克盛會”。中國科學技術大學（簡稱：中國科大）微電子學院在光電傳感及功率電子器件領域的4項進展被大會接收。

寬光譜高分辨圖像傳感器新進展

寬光譜圖像傳感器在自動駕駛、環境監測、安全檢查和醫療診斷等諸多領域具有關鍵意義。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多波段感知，這將顯著提升系統構筑的復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、良好的輻射穩定性、帶隙可調等一系列優異特性，目前已經在X射線探測、弱光探測等領域展現出了巨大潛力。然而如何將鈣鈦礦光電子器件異質集成到傳統半導體基底上，制備高性能的異質集成芯片依然極具挑戰。近日，中國科大胡芹特任研究員團隊成功開發出一種新型鈣鈦礦/硅基CMOS異質集成的高分辨圖像傳感器，成功實現了從近紅外到X射線波段的超寬譜段（850 nm-40 keV）探測。

研發團隊通過對單元器件結構、匹配CMOS讀出電路、異質沉積工藝的協同設計優化，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）。該傳感器陣列規模為640 × 512，像元間距為15 μm。得益于精細優化的器件設計和集成工藝，芯片成像清晰（圖1c），光響應非均勻性僅為3.1%（圖1d）。在白光、軟 X 射線及硬 X 射線輻照下的成像結果表明，該芯片能夠獲得細節豐富、紋理清晰的高質量圖像。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，雙脈沖易化指數為1.43，顯示出該圖像傳感器具備實現感內計算的智能傳感潛力（圖1f-h）。

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構；（b）圖像傳感器芯片實拍圖及像素的SEM俯視圖；（c）白光下的成像結果；（d）532 nm光下像素響應分布；（e）不同軟X射線下的量子效率；（f）硬X射線下的成像結果；（g）連續硬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備的調制傳遞函數（MTF）曲線。

相關成果以 “A Multispectral Image Sensor based on Perovskite/CMOS Integrated Chip with Response from Near-Infrared (850 nm) to X-Ray (40 keV)” 為題發表在IEDM 2025上。中國科大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。北京理工大學唐鑫教授、合肥光源關勇高級工程師等參與了該工作的聯合研究。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

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在藥品分析、生物檢測、環境監測以及有機與生物物質鑒別等領域具有重要應用價值。然而，傳統光譜儀和高光譜成像系統通常依賴光柵、濾波片陣列等體積較大的光學元件，不僅系統結構復雜、尺寸龐大，而且難以實現片上集成與實時成像，限制了其在便攜化和芯片級應用中的發展。近年來，基于計算重構的微型化光譜儀逐漸受到關注，但相關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、器件結構及系統集成等多方面挑戰。

面向紫外光譜分析、小型化光譜成像及片上集成應用需求，中國科大微電子學院孫海定教授iGaN實驗室關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 結構二極管的背對背垂直集成設計（圖 2a），該器件具有電壓可調的光譜響應（圖2b）以及雙極性光電流輸出特性。器件在紫外波段表現出優異的光電探測性能，在 355 nm 和 255 nm 波長下分別實現了 450 mA/W 和 -155 mA/W 的高響應度，響應時間為納秒級（圖2d）。依托器件電壓可調的光譜響應特性，研究團隊構建了微型片上紫外光譜儀，實現了 255-365 nm 波段范圍內的光譜重構（圖2c），峰值波長分辨率優于 2 nm。在前述工作的基礎上，團隊進一步改進器件結構，在外延結構中引入 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，峰值波長重構誤差達到 0.62 nm。結合高質量外延生長工藝，器件的響應速度得到進一步提升，實現了高光譜分辨率、快速響應的片上紫外光譜成像，該工作順利被國際光學領域著名期刊Nature Photonics接收并發表。

圖2 （a）GaN/AlGaN基背對背光電二極管結構示意圖；（b）電壓可調的光譜響應特性；（c）光譜重構結果與商用光譜儀對比；（d）超快的響應速度；（e）在不同光照強度下的可重構光電邏輯門；（f）光電邏輯門讀出真值示例。

團隊進一步利用BtB-PD在不同波長、強度的紫外光調制下產生的雙極性光電流特性，展示了多種光學可控邏輯功能。通過調控入射紫外光的波長與強度，在單個器件結構中實現了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提供了新的實現路徑。該成果以 “A Back-to-Back Photodiode for Miniaturized Ultraviolet Hyperspectral Imager and Optical Logic Gates”為題發表于IEDM 2025。論文共同第一作者為中國科大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基金和國家重點研發計劃項目的支持，器件制備主要在中國科大微納加工制造中心完成。

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的發展需求，發展傳感、存儲與計算一體化器件，被認為是突破傳統馮·諾依曼架構瓶頸、降低系統延遲與功耗的重要途徑之一。然而，現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多功能一體化仍面臨巨大挑戰。針對上述問題，龍世兵教授團隊基于極化誘導載流子分離機制，設計并研制了一種超寬禁帶 Ga2O3/AlN/Si光電晶體管，在硅基平臺上實現了集探測-存儲-計算于一體的多功能器件（圖3a）。

圖3 極化效應輔助的氧化鎵光電晶體管及基本特性。（a）結構：氧化鎵光電晶體管結構示意圖；（b）傳感：氧化鎵光電晶體管作為探測器表現出極低的暗電流和較高的響應度；（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：光脈沖序列觸發對氧化鎵晶體管的類神經突觸權重調節，從而實現對信息的感知與計算；（e）應用：基于該晶體管構建的物理儲備計算系統，實現了對目標物體運動方向的準確識別。

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度（圖3b）。此外，該極化電場不僅可驅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，從而實現穩定的光電存儲功能（圖3c），器件表現出約10 V的存儲窗口、優異的循環穩定性及保持特性。更進一步，Ga2O3體缺陷主導的持續光電導效應又賦予器件可調控的短時記憶特性，使其能夠模擬神經突觸的對脈沖增強等類腦行為，實現對感知信號的計算處理能力（圖3d）。基于該器件構建的物理儲備計算系統，在運動方向識別任務中實現了較高的識別準確率，展現出優異的時序信息處理能力（圖3e）。該工作證明，在成熟的硅基平臺上構建的極化效應輔助的Ga2O3/AlN/Si光電晶體管在先進感內存儲和計算應用方面的巨大潛力，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” 為題發表于IEDM 2025。中國科大龍世兵教授、趙曉龍特任教授、侯小虎特任副研究員和國防科技大學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。

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構，在數據中心、新能源汽車、光伏逆變等領域發揮著不可或缺的作用。傳統半橋功率電路通常采用n溝道晶體管（n-FET）串聯構成，然而，因上管源極電位浮空，易在高頻高壓開關瞬態中出現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，在高頻高壓開關瞬態中實現穩定的柵極驅動電壓。寬禁帶半導體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，超寬禁帶半導體金剛石具有高擊穿場強和高熱導率，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成為構建互補型功率集成電路的理想組合。

針對上述傳統功率半橋電路在高頻開關中的串擾/振蕩問題，楊樹教授研究團隊創新性地開發出基于常關型金剛石p-FET與GaN n-FET的互補型功率集成電路。通過低功函數柵金屬調控閾值電壓，在氫終端金剛石p-FET中實現了常關型操作，同時維持較低導通電阻，其功率品質因數~10 MW/cm2，在已報道的常關型金剛石與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。在此基礎上，研究團隊成功開發出金剛石/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過程中有效抑制柵極驅動電壓振蕩與串擾，優于傳統功率半橋電路，有望為下一代高頻、高可靠功率轉換系統提供解決方案。

圖4 （a）傳統雙n-FET串聯半橋功率電路示意圖；（b）互補型半橋功率電路示意圖、常關型金剛石p-FET與GaN n-FET器件結構示意圖；（c）常關型金剛石及GaN p-FETs性能對標；（d）金剛石/GaN互補型功率集成電路；（e）高壓高頻開關過程中上管金剛石p-FET與下管GaN n-FET柵極驅動電壓波形。

相關研究成果以 “Demonstration of Complementary Power Circuit With Normally-Off Diamond P-FET and GaN N-FET” 為題發表于IEDM 2025上。中國科大博士生儲宸悅與杜佳宏為論文的共同第一作者，中國科大楊樹教授與安徽大學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計劃、國家科技重大專項等項目的資助。

《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》