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。

提出了基于表面等离激元和碳纳米管的三维光电混合集成系统，该系统与现有的COMS制备工艺兼容，可以实现光子学和电子学的三维集成和互联，为解决集成电路的速度瓶颈提供了一种方法。他们演示了几种集成回路，包括在片光操控回路、波长和偏振复用回路和具有COMS信号处理电路的集成模块。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). 这种三维集成系统的优点包括：1. 使用低温COMS兼容制备工艺，可以在单片集成回路中集成光子学模块、电子学信号处理系统和存储系统；2. 利用具有原子厚度的碳纳米管材料以及金属工艺，使得光子学集成和电子学集成在材料上兼容；3. 基于表面等离激元使得光子学器件尺度可以和电子学器件尺度相近，便于集成；4. 碳纳米管的工作波段可以覆盖整个通讯波段，这是硅材料无法做到的；5. 光电探测器工作于光伏模式，可以减小能耗。该工作是首次利用原子厚度材料实现三维光电混合集成，可以实现更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同时，有可能解决电子学集成回路在速度上的瓶颈。

近几年，硅基集成电路的速度遭遇瓶颈、停滞不前，解决的办法之一是引入光子学器件，部分取代电子学集成电路中的信号处理和互联器件，这就要求光子学器件具有像电子学集成那样的小尺度和三维集成能力，同时具有和电子学集成兼容的制备工艺。这些要求使得光电混合集成面临巨大的挑战，是一个世界性的难题。 光学所张家森教授团队与信息科学学院彭练矛教授团队合作，提出了基于表面等离激元和碳纳米管的三维光电混合集成系统，该系统与现有的COMS制备工艺兼容，可以实现光子学和电子学的三维集成和互联，为解决集成电路的速度瓶颈提供了一种方法。他们演示了几种集成回路，包括在片光操控回路、波长和偏振复用回路和具有COMS信号处理电路的集成模块。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). 这种三维集成系统的优点包括：1. 使用低温COMS兼容制备工艺，可以在单片集成回路中集成光子学模块、电子学信号处理系统和存储系统；2. 利用具有原子厚度的碳纳米管材料以及金属工艺，使得光子学集成和电子学集成在材料上兼容；3. 基于表面等离激元使得光子学器件尺度可以和电子学器件尺度相近，便于集成；4. 碳纳米管的工作波段可以覆盖整个通讯波段，这是硅材料无法做到的；5. 光电探测器工作于光伏模式，可以减小能耗。该工作是首次利用原子厚度材料实现三维光电混合集成，可以实现更小的尺寸、更快的速度和更多的功能，同时，有可能解决电子学集成回路在速度上的瓶颈。 上述实验结果近期发表于最新一期《自然 电子学》杂志。 相关文献：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).

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

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。

面向并紧密结合实际工程需要和重大社会需求，发展了多个系列的柔性电子器件、电路模块、集成化系统及可视化软件界面。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 面向并紧密结合实际工程需要和重大社会需求，发展了多个系列的柔性电子器件、电路模块、集成化系统及可视化软件界面。包括:(1)“基于RFID的柔性电路及系统”，研制的RFID柔性电路模块集成在消防人员的头盔上，发展了一款可穿戴RFID人员识别和搜救系统;(2)“基于透明电路的超宽带无线定位智能眼镜”，创新性地将UWB无线定位技术和透明电路结合在一起，研制出了一款可进行实时无线探测定位的智能眼镜，实测无线定位距离300米以上，定位精度10cm以内;(3)“基于全柔性电路集成的智能口罩及无线实时呼吸监测系统实现”，研制了搭载多传感器芯片的柔性电路无线模块，并集成到口罩中实现对人呼吸健康的实时监测，并通过云平台和开发的手机端App进行发热、咳嗽、呼吸频率异常等症状的预警;(4)“面向多载体的UWB超宽带单基站无线定位系统”，已在大型隧道工程现场进行了推广应用，用于地下空间施工车辆、人员的无线定位、监测和安全管控，具有易布置、远距离、高精度的突出特点。

本成果包括系列基于硅基或SOI基材料的高压集成技术，可用于700V AC-DC电源管理IC、600V/1200V高压栅驱动IC、不同电压需求的高压开关IC、D类功率放大器、电机驱动IC等的研制，满足照明、工业控制、汽车电子、电机驱动、消费电子等领域的需求。具体包括： 硅基：（1）超低比导通电阻700V单晶型BCD工艺；（2）600V外延型BCD工艺；（3）1200V外延型BCD工艺；（4）48V高功率BCD工艺；（5）40V高压双极型工艺。 SOI基：（1）600V 厚层SOI BCD工艺；（2）650V薄层SOI高压CDMOS工艺；（3）300V薄层SOI高压CDMOS工艺；（4）200V薄层SOI高压CDMOS工艺；（5）100V薄层SOI高压CDMOS工艺；（6）40V薄层SOI高压CDMOS工艺；（7）-200V SOI高压CDMOS工艺；（8）-100V SOI高压CDMOS工艺。

本成果包括系列基于硅基或SOI基材料的高压集成技术，可用于700V AC-DC电源管理IC、600V/1200V高压栅驱动IC、不同电压需求的高压开关IC、D类功率放大器、电机驱动IC等的研制，满足照明、工业控制、汽车电子、电机驱动、消费电子等领域的需求。

北京大学物理学院现代光学所王剑威研究员与意大利罗马大学Fabio Sciarrino教授、英国布里斯托尔大学Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在国际著名刊物《自然-光子学》（Nature Photonics）上撰写综述文章，介绍“集成光量子技术”这一新兴领域的基本科学原理和前沿进展。 量子技术利用量子物理基本原理，通过操控光或物质的量子叠加和量子纠缠等内禀属性，其信息处理能力有望从根本上超越经典范畴的信息技术。集成光量子芯片技术是一门结合了量子物理、量子信息、集成光子学和微纳制造等学科的前沿交叉技术，通过半导体微纳加工制造，有望实现高性能且大规模集成的光量子器件和系统，达到对作为量子信息载体的单光子进行高效处理、计算和传输等功能。 国内外对集成光量子芯片技术的研究取得许多重要进展 2008年，国际上首次实现了基于二氧化硅平面光波导体系的量子受控纠缠门和量子干涉，开创了集成光量子芯片领域的先河。在过去十年间，国内外对集成光量子芯片技术的研究,取得了许多重要进展，目前已实现了片上光量子态的制备、量子操控以及单光子探测等核心功能，并且器件集成度和功能复杂度也都得到了大幅度提高。综述总结了集成光量子芯片的主流材料体系、核心量子光学元器件，及其量子信息的前沿应用，包括量子密钥分发和通信、物理和化学系统的量子模拟、量子玻色取样、光量子信息处理和计算等。 集成光量子芯片的材料体系目前主要采用硅基绝缘体上、铌酸锂、激光直写二氧化硅、氮化硅、氮化嫁、磷化铟等光波导材料。核心器件主要包括集成单光子源与纠缠光子源、可编程大规模集成光路、集成单光子探测器等，其中量子光源主要有非线性参量型量子光源和固态量子点型量子光源，而单光子探测主要通过超导纳米线探测和过度边缘感应传感来实现。这些核心光量子集成器件的性能均取得了很大程度的提升。与此同时，集成光芯片平台上也已经逐渐发展出一套可以将量子信息精确加载在单光子的路径、偏振、时间、空间、频率等不同自由度的方法，为该技术的发展提供了广阔的便利性和多样化。 集成光电子器件在经典通信系统中一直起着举足轻重的作用，可以预期其也将在量子密钥分发和量子通信中起到重要作用，特别是微小型、低成本、高性能的量子通信收发芯片的发展，将有助于进一步降低成本、提高可靠性，推进其实用化进程。目前，量子通信的几种主要协议，包括制备-测量类的通信协议以及基于纠缠分布和量子隐形传态类的协议等，已先后在硅基、磷化铟、氮化硅等光子芯片上得到实验验证。另外，全集成型量子真随机数发生器也有很多实验实现，并有望在不远的将来提供微小型、高速和低成本的真随机数发生器。 量子线路模型和基于测量的单向量子计算模型是实现通用量子计算的主流模型。光学量子计算的线路模型实现方案存在扩展性困难，但基于测量的光量子计算可以大大降低需要的物理资源，并可实现通用量子计算。在可编程的光量子芯片平台上，目前已成功实验验证了Shor因数分解算法、Grover搜寻算法、优化算法等重要算法，并可在单一芯片实现多种复杂量子信息处理功能。近年来，片上制备并操控复杂量子态，包括高维量子态、多光子纠缠态、图纠缠态等，均已在硅基和二氧化硅等平台实现。值得一提的是，集成光量子芯片的高可编程性、高稳定性、高保真度，为通用量子计算的实现提供了基础。 量子玻色取样和量子模拟被认为是量子计算的短期实现目标和重要应用方向。触发型玻色取样和基于量子点光源的玻色取样，被认为是实现具备“量子优势”的玻色取样量子计算的有效技术方案，有望超越经典计算机计算能力，其中前者已实现芯片上量子光源和线性网络的全集成，而后者最近在中科大发布的一个论文预印本中报道了20光子60模式玻色取样的重要突破。集成光量子芯片体系已实验验证了离散型和连续型的量子漫步功能，并可用于模拟复杂的物理和生物过程。同时，集成光量子模拟器也成功验证了多种典型的量子模拟算法，有望有效地模拟化学分子动力学过程。

水是工业生产的主要媒介之一，在生产过程中既作为工艺介质，又作为辅助介质，因此应用十分广泛，但由于以前水价偏低，致使企业不重视节水工作，不但用水量较大，同时还会产生大量的废水，既增加了企业废水处理的成本，又污染了环境。从2011年开始，国家又一次提高了污水的排放标准，与此同时，江苏地区还重新修订了工业企业的用水定额，对企业的用水与排水提出了更高的要求。针对于此，本课题组面向火力发电、钢铁、造纸、纺织印染、化学工业与石油化工等行业，在综合企业现有水系统的基础上，采用水夹点优化技术开发了集成节水技术，通过对水系统进行节水改造，通过提高水的重复利用率及废水的深度处理与再生回用，可大大减少企业的新水用量和废水排放量，降低企业的运行成本，减小环境治理的压力。  本课题组可承接各种节水技术改造的工艺与设备设计、设备安装调试等。