项目采用了中山大学自主研发的低损耗低应力超低温氮化硅材料平台，研制了一系列光子集成的关键 器件

在高技术陶瓷领域，先进陶瓷占有极其重要的地位，在诸多的先进陶瓷中，氮化硅基先进陶瓷以其高强度、高韧性、高的抗热震性、高的化学稳定性在先进陶瓷中占有独特的地位，是公认的未来陶瓷发动机中最重要的侯选材料。并且在国际上氮化硅陶瓷刀具和氮化硅基陶瓷轴承已经形成相当规模的产业。任何一个跨国刀具公司都有氮化硅基陶瓷刀具的系列产品，足见其在机加工行业中具有不可替代的地位。 但是，影响氮化硅陶瓷推广的一个主要因素，是氮化硅粉末价格昂贵，这是由于传统的制取氮化硅粉末的方法耗能高，生产周期长，生产成本高。本项目采用具有自主知识产权的创新的燃烧合成技术，制取氮化硅陶瓷粉末和氮化硅复合粉末，具有耗能低，生产周期短，杂质含量低，生产成本低等特点，具有广泛的应用前景。 燃烧合成（Combustion Synthesis，CS）又名自蔓延高温合成（Self- Propagating High-Temperature Synthesis，SHS），是利用化学反应自身放热合成材料的新技术，基本上（或部分）不需要外部热源，通过设计和控制燃烧波自维持反应的诸多因素获得所需成分和结构的产物。 自1990年以来，本项目负责人等针对燃烧合成氮化硅陶瓷产业化的一系列关键问题，在气-固体系氮化硅基陶瓷的燃烧合成热力学、动力学和形成机制等方面进行了深入研究后得到的创新成果。 采用本项目的技术，可以生产符合制作先进陶瓷要求的从全α-Si3N4相到高β- Si3N4相，及不同配比的氮化硅粉末，还可根据用户要求，用此技术生产α-Sialon，β-Sialon和其它各种氮化硅基的复合粉末。粉末的质量优良而稳定。 应用于航天、航空及机械行业等，用于制作氮化硅陶瓷刀具、氮化硅基陶瓷轴承、耐磨耐腐陶瓷涂料等。

小试阶段/n本发明专利采用一种新的合成方法制备了氮化硅或氮化硅/碳化硅粉体。与传统制备方法相比，此工艺简单，成本低，具有较大的市场前景，为非氧化物耐火材料原料的生产提供了一个新的思路。

氮化硅陶瓷是一种耐高温耐磨材料，广泛用于冶金、化工、能源等领域，氮化硅粉是制备氮化硅的原材料。实验室提出了一种流态化直接氮化制备超细粉方法，可低成本生产晶相和非晶相氮化硅粉。

 基于硅材料和CMOS工艺制备光电子器件及其集成技术，可实现低成本、批量化生产，并具有和微电子单片集成的潜力，是目前国际光电子前沿研究领域。该技术不仅可以用于片上光互连，也可为骨干网、光接入网和数据中心提供高性能、低成本收发模块。 在国家973计划项目《超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术基础研究》的支持下，针对硅基材料不具备线性电光效应、而利用自由载流子等离子色散效应实现电光调节效率低、功耗高等科学难题，提出了一系列解决思路和具有创新性的器件结构，形成了硅基光电子集成器件设计方法和基于CMOS工艺的制备工艺流程，成功制备了一系列硅基光电子集成芯片。 该技术不仅为我国硅基光电子集成技术的发展和华为等知名电信设备企业新一代产品提供了有力的技术支撑，也引起了国际同行的密切关注。美国光学学会《Optics & Photonics News》曾出版专题报道“Integrated Photonics in China”，对本项目的部分工作进行了介绍。2014年底，Nature Photonics将本项目首次在硅基上研制成功的大容量可编程光缓存芯片作为Research Highlight加以报道。高速低功耗16*16光交换芯片版图大容量可编程光缓存芯片（左：芯片照片，中：封装后的结构，右：性能测试结果）为华为公司研制的400G可调光模块。

本发明公开了一种氮化硅微米管的制备方法，该方法将去除保 护层的光纤表面涂覆一层均匀的石墨粉后在 300～600℃的温度区间内 热解，使光纤表面形成均匀厚度的碳膜；再将光纤在氮气条件下以 1100～1600℃的温度区间高温加热，使碳膜与光纤表面的二氧化硅产 生反应生成硅，然后硅与氮气发生反应在光纤表面形成氮化硅薄膜将形成氮化硅薄膜的光纤刻蚀掉，形成中空的氮化硅微米管。该氮化 硅微米管与炭黑进行混合，使氮化硅微米管增强导电性，然后在其中 加入热熔型粘结剂形成混合物，再均匀涂在洗净的铜箔表面，可得到 氮化

北京科技大学特种陶瓷研究室开发出一种自蔓延反应烧结氮化硅/氮化硼复相可加工陶瓷材料，其应用前景极其广阔。 Si和N2合成Si3N4反应的绝热燃烧温度高，体积有所增加，生成棒状的b-Si3N4相相互交叉，提高了自蔓延反应烧结氮化硅多孔陶瓷的强度，但氮化硅加工性能差。h-BN陶瓷可加工性能好，但烧结性能差。本项目利用h-BN相在氮化硅陶瓷中形成弱界面，当加工时，弱界面上会形成微裂纹，并沿弱界面发生偏转，耗散裂纹扩展的能量使裂纹扩展终止；当载荷继续上升时，在下层的弱结合界面处将产生新的临界裂纹再扩展；如此反复，使裂纹成为跳跃式阶梯状扩展，断裂渐次发生而非瞬间脆断，使氮化硅/氮化硼多孔陶瓷材料具有了好的可加工性能。 本项目原料中采用了一定比例的Si粉，比完全以Si3N4粉为原料的普通烧结工艺节约了原料成本。产品的基本工艺为自蔓延高温合成（燃烧合成）工艺，在气体高压反应器中进行，烧结所需要的能量完全由原料自身放热提供，与其他制备方法（常压烧结、热压烧结、反应烧结）相比较，不需要高温烧结炉长时间烧结，大大节省了能源。本项目工艺简单，烧结速度快，效率高。可制作复杂形状一维，二维的大尺寸陶瓷材料。抗弯强度已做到188MPa，材料可加工性能优良。 已获中国发明专利《ZL 200610089013.6自蔓延反应烧结Si3N4/BN复相可加工陶瓷的方法》。

小试阶段/n氮化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有强度高、硬度大、高温蠕变小、抗热震稳定性好、耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好等优异特性，被广泛应用于机械、化工、热工及航空航天等领域。氮化硅粉体是制备高性能氮化硅陶瓷的基础， 氮化硅粉体的制备及性能对氮化硅陶瓷的制备具有举足轻重的作用。目前，氮化硅粉体的制备方法主要有：碳热还原二氧化硅法、自蔓延法、热分解法、气相反应法和硅粉直接氮化法等。现有的氮化硅粉体制备技术都存在一些不足：成本高，反应温度高，氮化周期长，纯度低，工艺过程复杂，不易控制，粉体不呈晶须状等，

研究背景 芯片是人类最伟大的发明之一，也是现代电子信息产业的基础和核心。小到手机、电脑、数码相机，大到6G、物联网、云计算均基于芯片技术的不断突破。半导体光刻工艺水平的发展是以芯片为核心的电子信息产业的基石，目前半导体光刻的制造工艺几乎是摩尔定律的物理极限。随着制造工艺的越来越小，芯片内晶体管单元已经接近分子尺度，半导体制作工艺的“瓶颈效应”越来越明显。随着全球化以及科技的高速发展，急剧增长的庞大数据量要求数据处理模型和算法结构不断优化升级，带来的结果就是对计算能力和系统功耗的要求不断提高。而目前智能电子设备大多存在传输瓶颈、功耗增加以及计算力瓶颈等现象，已越来越难以满足大数据时代对计算力与功耗的需求，因此提高运算速度同时降低运算功耗是目前信息工业界面临的紧要问题。 如当年集成电路开创信息时代一样，当下已经普及的光通信正在成为新革命力量的开路先锋。与此同时，光子芯片正在从分立式器件向集成光路演进，光子芯片向小型化、集成化的发展趋势已是必然。相对于电子驱动的集成电路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特点，利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的光子芯片，具有非常广阔的发展空间和巨大的潜能。 项目功能 本项目瞄准光通信关键技术及核心芯片，基于量子阱二极管发光探测共存现象，探索关键微纳制造技术，研制出可以同时实现通信、感知功能的一体化光电子芯片。 技术路线 一、技术原理及可行性 本项目主要负责人王永进教授发现如图1所示的量子阱二极管发光探测共存现象，首次研制出同质集成发射、传输、调制和接收器件的光电子芯片，这些原创工作引起了业界相关科研小组地广泛关注，化合物半导体同质集成光电子芯片成为研究热点。香港大学的蔡凯威小组和申请人合作提出湿法刻蚀和激光选择性剥离技术，在蓝宝石氮化物晶圆上实现LED基同质集成光电子芯片(Optica 5, 564-569 (2018))。沙特阿卜杜拉国王科技大学Ooi教授和美国加州大学圣巴巴拉分校Nakamura教授小组在蓝宝石氮化物晶圆上，研制出基于氮化物激光器的同质集成光电子芯片(Opt. Express 26, A219(2018))。中科院苏州纳米所孙钱小组在硅衬底氮化物晶圆上，研制出基于氮化物激光器的同质集成光电子芯片(IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 24, 8200305 (2018))。在NRZ-OOK调制方式下，InGaN/GaN量子阱二极管可实现Gbps的光发射、调制和探测速率(Appl. Phys. Express 13, 014001 (2020))。这些工作表明研发基于光子传输的化合物半导体同质集成光电子芯片以实现片上光子通信是可行的。   二、总体结构设计及工艺流程 本项目提出的同时通信/感知一体化光电子芯片基于常规的蓝宝石衬底氮化镓基多量子阱LED外延片进行设计，无需特殊定制的外延结构。以典型的2寸氮化镓基蓝光LED外延片为例，其外延片结构如图2所示，从下至上依次为蓝宝石衬底、AlGaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和P型GaN层，通过调节InGaN/GaN多量子阱层的参数（层厚度与In的比例等等）可制备具有不同中心波长的光源器件。   图3为本项目所提出的同时通信/感知一体化光电子芯片结构。在蓝宝石衬底的氮化物晶圆上通过刻蚀和沉积等一系列晶圆级微纳加工技术，制备出单片集成的InGaN/GaN多量子阱LED和PD。光子芯片的P、N电极可以采用倒装技术直接与基板相连，光线从透明的蓝宝石衬底发出，这样不仅使得器件具有优良的电性能和热特性而且简化了其后期的封装工艺。 三、技术创新优势 1、同一块晶圆上集成LED和PD使得两者间距离大大缩短，不仅有助于增强PD对蓝宝石表面反射光线的耦合，提升感知系统性能，而且缩小了器件整体外形，符合集成电子器件小型化、便携化的发展趋势； 2、单片集成的LED和PD器件相比于传统异质的、分立的LED和PD简化了封装形式和工艺，不再需要对LED和PD进行单独的封装，而且同质集成器件的基板也较异质结构的简单统一，极大地缩短了集成系统的制作周期； 3、同时通信/感知一体化光电子芯片采用相同的工艺就可以制作出LED和PD，简化了生长异质材料的复杂性，缩短了器件流片的周期，使用同一工艺就可将LED和PD进行批量生产，有效地降低了生产成本。 四、实验验证 本项目团队所在的Peter Grünberg研究中心拥有完整的LED器件制备、光电性能测试与电学性能测试平台，并且项目成员积累了丰富的测试技术与经验，能够满足本项目的同时通信/感知一体化光电子芯片测试同时表征光电参数与电学参数的需求。下图4所示为器件形貌表征图，从左边依次是扫描电镜图、光镜图、原子力显微镜图。   基于通信感知一体化芯片，本项目利用单个多功能集成器件成功实现了对人体脉搏的监测功能，如图5所示。   另外基于通信感知一体化氮化镓光电子芯片，我们还实现了照明、成像和探测功能为一体的LED阵列系统，如图6所示。该系统可以在点亮照明的同时，实现对外界光信号的探测与感知，通过后端系统处理后，再将信息通过阵列显示出来，实现多种功能的集成。 项目负责人王永进教授是国家自然基金委优秀青年项目、国家973项目获得者，他以第一或通讯作者身份在Light-Sci Appl.等主流学术期刊发表一系列高质量研究论文，获授权中国发明专利23项，美国发明专利2项，被National Science Review、Semiconductor Today等做9次专题报道，荣获2019年中国电子学会科学技术奖（自然科学）、2019年南京市十大重大原创成果奖等。

研究团队利用能谷-赝自旋耦合原理，在绝缘层硅（SOI，silicon-on-insulator）上制备出能谷光子晶体平板。该拓扑光学结构具有~40nm的特征尺寸，其光子模式（因工作于光锥以下）能够较好地局域在平板内，抑制了平板外损耗。他们制备了直线形、Z形和Ω形等三种拓扑光学通道，测量出高透平顶透射光谱带，证实了近红外波段下拓扑保护的宽带抗散射传输。采用硅微盘技术产生相位涡旋源，无需低温和强磁等极端环境，实现了拓扑界面态的选择性激发，实现了亚微米量级耦合长度的宽带光子路由行为，验证了能谷-赝自旋耦合等拓扑光学原理。在硅基平台上证实拓扑光子学原理，是目前国际学术前沿的聚焦度较高的领域之一。研究团队过去在拓扑光子学原理方面的工作，多次引起国际同行关注，论文入选ESI高被引。该工作中，他们深入系统地发展出硅基拓扑光学等关键理论，攻克了数十纳米加工工艺等关键技术，率先在硅基光子平台与拓扑光子学之间建立了联系，突破了单一自由度调控的传统框架，提出了硅基中多自由度耦合的多维调控新机制，为微纳光学与光子学、光二极管等关键光子芯片器件、混合集成光子学、高保真光量子信息光学、非线性光学等领域，提供了新方法和新思路。