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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、波長和偏振復(fù)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(tǒng)的優(yōu)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(xué)模塊、電子學(xué)信號處理系統(tǒng)和存儲系統(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(xiàn)三維光電混合集成，可以實現(xiàn)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(xué)集成回路在速度上的瓶頸。

已有樣品/n中科院半導(dǎo)體所是國內(nèi)最早開展 GaN 基電子材料研發(fā)的單位，并一直在該領(lǐng)域起著引領(lǐng)、 示范和帶動作用。經(jīng)過盡二十年的自主創(chuàng)新，攻克了 2 英寸和3英寸藍(lán)寶石、碳化硅和硅襯底上GaN 基電子材料外延生長的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，在高阻 GaN 外延材料、高遷移率 GaN 外延材料、高遷移率 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)材料等方面形成了系統(tǒng)的自主知識產(chǎn)權(quán)，設(shè)計并研制出了多種具有特色的 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)電子材料，并實現(xiàn)了批量供片。市場預(yù)期：該技術(shù)是采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）

碳纖維增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料耐腐蝕、耐高溫、耐磨損、韌性高，能夠廣泛用于能源、交通、化工等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，比如摩擦制動材料、耐化學(xué)腐蝕葉片等。

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)，是一個世界性的難題。 光學(xué)所張家森教授團隊與信息科學(xué)學(xué)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(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)有的COMS制備工藝兼容，可以實現(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、波長和偏振復(fù)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(tǒng)的優(yōu)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(xué)模塊、電子學(xué)信號處理系統(tǒng)和存儲系統(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(xiàn)三維光電混合集成，可以實現(xiàn)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(xué)集成回路在速度上的瓶頸。 上述實驗結(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).

發(fā)展了高性能、低功耗碳基CMOS集成電路技術(shù)，性能和功耗全面超越現(xiàn)有技術(shù)，有望成為未來主流信息器件。發(fā)表了包括兩篇Science在內(nèi)的SCI論文150余篇；相關(guān)成果兩獲國家自然科學(xué)二等獎以及其他重要獎勵，多次被NatureIndex等專題報道。

隨著包括5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的新型產(chǎn)業(yè)的興起，在實際應(yīng)用中對于高速、低損耗的信息處理系統(tǒng)的需求與日俱增。傳統(tǒng)的電子器件受摩爾定律的限制，在儲存密度和運算速度的突破上均面臨瓶頸，并且進(jìn)入“ 后摩爾時代”，電子器件不可無限制地進(jìn)行集成。器件的尺寸越小，量子效應(yīng)越明顯，集成的困難就越大。作為摩爾定律的延續(xù)，人們提出一種極具潛力的設(shè)計——光子芯片。相較于傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片的巨大優(yōu)勢之一是光子之間無相互作用力，可以大大降低系統(tǒng)的功耗，增大信息傳輸?shù)膸?。因此，光子芯片可以在?shù)據(jù)通信、高性能計算和傳感技術(shù)上有重要的應(yīng)用。 帶通濾波器是一種信號前端處理器件，是光子芯片集成的重要元器件之一。它可以有效抑制不需要波段的信號，僅允許目標(biāo)波段通過，這在信號處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，目前帶通濾波器在光子集成器件領(lǐng)域少見報道。傳統(tǒng)方法大多依賴經(jīng)驗以及物理啟發(fā)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，需要耗費大量資源，器件的性能有局限性。相較于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，利用算法設(shè)計納米光子學(xué)器件具有普適性和高效性。通過采用恰當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行優(yōu)化，可以有效提高設(shè)計效率，優(yōu)化器件指標(biāo)，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)的情況，找到性能最優(yōu)的器件。 圖1.帶通濾波器掃描電鏡圖

郭光燦院士團隊在固態(tài)量子存儲領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于自主加工的激光直寫波導(dǎo)，實現(xiàn)了光子偏振態(tài)的可集成固態(tài)量子存儲，存儲保真度高達(dá)99.4±0.6%，該工作顯著推進(jìn)了可集成量子存儲器在量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

氮化鋁（AlN）陶瓷具備優(yōu)異的綜合性能，是近年來受到廣泛關(guān)注的新一代先進(jìn)陶瓷，在多方面都有廣泛的應(yīng)用前景。例如高溫結(jié)構(gòu)材料、金屬溶液槽和電解槽襯里，熔融鹽容器、磁光材料、聚合物添加劑、金屬基復(fù)合材料增強體、裝甲材料等。尤其因其導(dǎo)熱性能良好，并且具備低的電導(dǎo)率和介電損耗，使之成為高密度集成電路基板和封裝的理想候選材料，同時氮化鋁—聚合物復(fù)合材料也可用作電子器材的封裝材料、粘結(jié)劑、散熱片等。氮化鋁在微電子領(lǐng)域應(yīng)用的市場潛力極其巨大。氮化鋁還是導(dǎo)電燒舟的主要成分之一，導(dǎo)電燒舟大量地用于噴涂電視機的顯象管等器件、超級市場許多商品包裝用的涂鋁薄膜，有著廣泛的市場。但是，影響氮化鋁基陶瓷的推廣的主要因素之一，是采用傳統(tǒng)方法合成氮化鋁粉末，耗能高，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)成本高。本項目采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)，采用燃燒合成技術(shù)制取優(yōu)質(zhì)的氮化鋁陶瓷粉末，具有耗能低，生產(chǎn)周期短，雜質(zhì)含量低，生產(chǎn)成本低等特點，具有廣泛的推廣價值。 燃燒合成（Combustion Synthesis，CS）又名自蔓延高溫合成（Self- Propagating High-Temperature Synthesis，SHS），是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱合成材料的新技術(shù)，基本上（或部分）不需要外部熱源，通過設(shè)計和控制燃燒波自維持反應(yīng)的諸多因素獲得所需成分和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。 自1994年以來，本項目負(fù)責(zé)人等針對燃燒合成氮化鋁陶瓷產(chǎn)業(yè)化的一系列關(guān)鍵問題，在氣-固體系氮化鋁基陶瓷的燃燒合成熱力學(xué)、動力學(xué)和形成機制等方面進(jìn)行了深入研究后得到的創(chuàng)新成果。 本項目來源于國家教委高校博士點專項科研基金項目（1994.3-1997.3）。 本項目以應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果“燃燒合成氮化鋁基陶瓷的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”已于1999年通過專家函審。 采用本項目的技術(shù)，可以生產(chǎn)符合制作先進(jìn)陶瓷要求的氮化鋁粉末，還可根據(jù)用戶要求，用此技術(shù)生產(chǎn)氮化鋁基陶瓷粉末。粉末的質(zhì)量優(yōu)良而穩(wěn)定。 氮化鋁廣泛應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)材料、金屬溶液槽和電解槽襯里、熔融鹽容器、磁光材料、聚合物添加劑、金屬基復(fù)合材料增強體、裝甲材料、高密度集成電路基板、電子器材的封裝材料、粘結(jié)劑、散熱片、導(dǎo)電燒舟等。

（一）項目背景 當(dāng)前以硅、砷化鎵為代表的第一和二代半導(dǎo)體接近其物理極限，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體是當(dāng)前國際競爭熱點，也是我國發(fā)展自主核心半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)換道超車的難得機遇。氮化鎵（GaN）特別適合制作高頻、高效、高溫、高壓的大功率微波器件，是下一代通信、雷達(dá)、制導(dǎo)等電子裝備向更大功率、更高頻率、更小體積和抗惡劣環(huán)境（高溫抗輻照）方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 目前氮化鎵基射頻器件已接近于商用，需解決從走出實驗室到小量中試的最后“1 公里”，重點攻克其在可靠性工藝和量產(chǎn)穩(wěn)定性的瓶頸。 以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體是當(dāng)前國際競爭熱點，也是我國發(fā)展自主核心半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)換道超車的難得機遇。 半導(dǎo)體作為信息時代的“糧食”，將成為 5G 基建、特高壓、城際高鐵和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等“新基建”七大領(lǐng)域發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)。而氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體先進(jìn)電子器件，憑借其高效、高壓、高溫等優(yōu)勢，將在“新基建”中大放異彩，可以彌補傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的技術(shù)瓶頸，滿足更高性能器件要求。 （二）項目簡介 5G 要求更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，發(fā)射機的效率會出現(xiàn)指數(shù)級的下降。這種下降可以使用包絡(luò)跟蹤技術(shù)來修復(fù)，該技術(shù)已經(jīng)在較新的 4G/LTE 基站以及蜂窩電話中采用。基站中的包絡(luò)跟蹤需要高速，高功率和高電壓，這些只有使用 GaN 技術(shù)才能實現(xiàn)。諸如 GaN 助力運營商和基站 OEM 等實現(xiàn)了 5Gsub-6-GHz 和 mmWave 大規(guī)模 MIMO 的目標(biāo)。 GaN 可以說為 5Gsub-6-GHz 大規(guī)模 MIMO 基站應(yīng)用提供了眾多優(yōu)勢：1、在 3.5GHz 及以上頻率下表現(xiàn)良好，對比其他產(chǎn)品優(yōu)勢明顯。2、GaN 的特性能轉(zhuǎn)化為高輸出功率，寬帶寬和高效率。采用 DohertyPA 配置的 GaN 在 100W 輸出功率下的平均效率達(dá)到 50%至 60%，明顯降低了發(fā)射功耗。3、在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)可以更緊湊。4、可在較高的工作溫度下可靠運行，這意味著它可以使用更小的散熱器。 根據(jù) Strategy Analytics 的數(shù)據(jù)，預(yù)計 5G 移動連接將從 2019 年的 500 萬增長到 2023 年的近 6 億。所以需求還將不斷上漲。 根據(jù)Strategy Analytics的數(shù)據(jù)，預(yù)計5G移動連接將從2019年的500萬增長到2023年的近6億。所以需求還將不斷上漲。 Efficient Power Conversion 的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Alex Lidow 討論5G時也說道：“基站中的包絡(luò)跟蹤需要高速，高功率和高電壓，這些只有使用GaN技術(shù)才能實現(xiàn)。根據(jù)Yole Development公司發(fā)布的2018年度報告數(shù)據(jù)顯示，隨著全球整體數(shù)據(jù)流量的激增，我國5G產(chǎn)業(yè)將迎來大規(guī)模的需求增長。預(yù)計到2022年，我國5G基站規(guī)模將達(dá)到千億市場，5G基站數(shù)量將達(dá)百萬個。所以未來氮化鎵基射頻器件是5G通信基站收發(fā)端的核心。 氮化鎵基射頻器件是華為和中興發(fā)展 5G 通信產(chǎn)業(yè)的核心器件，西安電子科技大學(xué)氮化鎵射頻器件研究團隊自 2016 年起就與華為西安研究所、中興西安研究所等國內(nèi)主流5G通信公司協(xié)同攻關(guān)開展氮化鎵基射頻器件的研究，目前承擔(dān)的流片服務(wù)項目合計約 500 萬元。 2017 年，西安電子科技大學(xué)與西安市高新區(qū)、西電電氣集團等聯(lián)合成立“陜西半導(dǎo)體先導(dǎo)技術(shù)中心”，中心致力于推動陜西第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)以氮化鎵為代表的射頻器件、功率器件等加速產(chǎn)業(yè)化，2019 年團隊向陜西半導(dǎo)體先導(dǎo)技術(shù)中心轉(zhuǎn)讓專利 35 項，作價 2000 萬元，雙方正在聯(lián)合推進(jìn)搭建第三代半導(dǎo)體中試平臺，平臺將會立足西安，服務(wù)全國，提升氮化鎵基射頻器件量產(chǎn)工藝可靠性，實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。 （三）關(guān)鍵技術(shù) 本項目由西安電子科技大學(xué)作為技術(shù)攻關(guān)的主要單位，制定技術(shù)路線，保障國家重大科技專項“高效 GaN 微波功率器件及可靠性研究”和“5G 移動通信 GaN 芯片可靠性機理研究”研究，與華為和中興聯(lián)合開展工程合作項目實施，加快解決器件工藝可靠性工程問題，重點開展氮化鎵微波功率與太赫茲器件工程技術(shù)研究，突破高性能低缺陷外延材料生長、高效率高可靠氮化鎵微波功率器件工藝技術(shù)等關(guān)鍵瓶頸問題，協(xié)助規(guī)模量產(chǎn)高效率 S-Ku 波段典型氮化鎵功率器件和模塊、5G 基站核心射頻模塊。

隨著便攜式電子設(shè)備的快速發(fā)展，將微型電子設(shè)備運用到可穿戴設(shè)備或者作為生物植入物的可行性越來越大。用柔性電子器件來替代傳統(tǒng)的硬質(zhì)電子器件的重要性也愈加凸顯，如何解決柔性電子設(shè)備的儲能問題，是實現(xiàn)這些可能性的重要因素之一。 本成果設(shè)計并制備了一種新型柔性微型超級電容器，其具有制備工藝簡單，成本較低，適用于各種粉末狀電極材料等特點。