杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯先后发明了基于不同材料的集成电路。而当今人类文明进入了信息化时代，集成电路得益于越来越小的体积、越来越强大的处理能力、越来越高的可靠性和性价比，支撑起庞大的军用、民用的产品市场，对国家经济发展和国防安全具有无可替代的作用，其发展水平也成为衡量一个国家综合实力的重要标志。这项诞生于1950年代的工作以获得2000年诺贝尔物理学奖而载入世界科学史之最。
硅基单片光电子互连系统具有传输速率快、抗干扰能力强、与现有的标准微电子工艺兼容等优点，将成为解决目前高速集成电路信息互连速率与功耗问题的最佳途径。但是，电光调制器依然存在较多问题。针对信号调制问题，最为关键是硅光源发光效率低，信号调制等还存在严重瓶颈。
研究团队采用栅控二极管开展电光调制的理论研究，推导得出器件的本征最高调制能达到接近GHz。载流子可控有望进一步降低光子在器件内部的损耗，提高器件发射效率，而且调制速度在现有的研究基础上也有望进一步提升。发射波段与硅光探测器有最佳的光谱匹配，是各种遥控器、光电耦合器、光电检测系统的关键器件。
该芯片采用硅基光电子集成技术，具有体积小、功耗低、稳定性高、成本低等特点，是当今半导体光电器件与集成技术中最有前景的主流技术之一。这种方案从根本上解决了硅基电光调制受硅材料自身特性限制的瓶颈，为真正实现多端口可控硅电光调制，高速响应、集成化发射光源提供有力支撑，为未来集成光子集成器件发展带来新一轮技术变革，但由于硅材料发光强度依然偏弱，无法实现连续调节。要实现可实用的微电子与光电子交叉融合之单片集成全硅电光调制技术还有以下几个需要攻克的难题：
(1)如何从材料切入而不改变既定工艺；
(2)如何把MOS器件结构的优势扩大；
(3)如何实现前沿技术与产业结合。
矩阵化的硅基微型光电显示器
在基础研究领域，科学家需要把论文发表在世界顶级科学杂志上，在世界科技前沿为祖国争光；而在应用和开发研究领域，科学家则需解决国民经济和社会发展面临的关键科技难题，把科技论文写在祖国的大地上，为国家现代化建设做贡献。基础研究要注意成果与产品的转化，要把论文写在产品上，研究做在工程中，成果转化在企业里。围绕这一精神，电子薄膜与集成器件国家重点实验室与中国电子科技集团，联合南非、巴西（由IEEE Fellow、IEEE电子器件学会秘书长，巴西微电子行业协会理事长、比利时IMEC首席科学家，Jacobus Swart教授领衔）组成的研究小组实现了一种高效的多晶硅光源。
由于硅是一种具有间接带隙结构的半导体材料，采用该材料实现的光源并不理想。传统的硅光源均采用单晶硅实现发光。该研究小组打破常规，引入多晶硅全面替代单晶硅材料，利用载流子注入工程、优化器件结构，提高参与雪崩倍增过程的载流子数目、实现了一种相对高效的硅基光源；研究成果发表在
Materials Science and Engineering: B―Advanced Functional Solid-State Materials [231, 28-31, (2018)]。半年内成为MSE:B下载量最高（Most Downloaded）的25篇论文之一，也是2018年11月这一期中最新入选的论文。
基于载流子注入工程的多晶硅发光器件
荷兰皇家艺术与科学院院士、IEEE Fellow，Bram Nauta教授在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 65(11), 4883-4890, 2018中大篇幅点评了该工作共6篇（文献3、4、9、10、24、29），系统回顾了该团队在全硅半导体光电器件与集成技术开展的研究工作；其中，文献29这篇关于多晶硅发光的MSE:B论文被以一整段这样评述了发光器件的两个重要指标—效率和速度：
“Another so-called n+pn+pn+ device structure has been proposed to increase the efficiency of an AMLED [29]. This structure comprises two reverse-biased light-emitting junctions and two forward-biased junctions to increase intraband transitions by providing extra carriers. Such a device structure could also improve the speed. ”。
美国国家工程院（NAE）院士，斯坦福大学大学的James S. Harris教授在Material Today Nano中以“Coupling of Coherent Misfit Strain and Composition Distributions in Core-shell Ge/Ge1-x Snx Nanowire Light Emitters”为题目，点评了该工作共3篇（文献22、51、53），系统回顾了团队全硅半导体光电器件与集成技术开展的研究工作，他点评道：
“These synergistic effects are consistent with previous studies for silicon-compatible photonics51 on effects of strain on optical properties of SiGe,52and effects of carrier injection on the optical properties of polycrystalline Si.53”；。
在成果应用方面，中国电子科技集团的模拟集成电路国防科技重点实验室应用MOS栅控调制电场由点击穿向面击穿转变的方法，改变SiGe探测器的结构，提高了响应速度，为光采样模数转换器起到了支撑作用【J. Nanophotonics, 2016,10: 016002】；重庆大学的新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室将这种硅光源单片集成在硅衬底上，实现了矩阵化，实现了硅基微型光电显示器，针对这款产品的基础研究成果发表在IEEE/OSA旗下的显示领域期刊【
J. Display Tech., 2016, 12: 115-121】。该器件结构被用到工程中，项目名称“高可靠恒流驱动与保护系列功率集成电路的关键技术开发及应用”荣获2018年四川省科技进步三等奖。与现有集成电路工艺兼容的高效硅发光器件是OEIC这座金字塔上最为璀璨的明珠。OEIC如何从实验室走向大规模生产，一直是个难题，正如《人民日报》（2019年1月21日第12 版）的社论：科技成果转化难，是一块难啃的“硬骨头”。要实现把论文写在产品上、研究做在工程中、成果转化在企业里的目标，需要高校与企业的热情“握手”。而真正“牵手”，则需要各方齐心合力，向着共同的目标迈进。途径无他，唯有改革。
单位简介
电子薄膜与集成器件国家重点实验室于2006年7月经科技部批准建设，依托单位是电子科技大学。实验室紧密结合电子信息系统微小型化和单片集成的重大需求，重点围绕电子功能材料的薄膜化和电子器件的集成化开展基础、应用基础与工程应用的研究。
立足于电子信息材料与器件的发展前沿，坚持需求与发展并举、理论与实践并重，致力于新型电子薄膜材料与集成电子器件的研究和开发，促进材料、器件、微电子技术的交叉和集成。该重点实验室是国家示范性微电子学院（全国仅有9所）的科研载体，是IEEE纳米技术学会光电技术委员会、IEEE电子器件学会光电子器件技术委员会专家的依托单位。
部分研究人员参加中国科学院院部“科学与技术前沿”论坛
附注
1. 为了纪念集成电路发明60 周年，2018年10 月11日，中国电子学会、国家自然科学基金委员会信息科学部、中国科学院信息技术科学部、中国工程院信息与电子工程学部共同主办“纪念集成电路发明60 周年学术会议”。其中，如何开展微电子与光电子交叉融合、进一步夯实基础科研、加强基础研究向工程应用转化，提升我国在电子信息领域的核心竞争力，是一个普遍关切的重要话题；国家科技部还为此专门设立了“光电子与微电子器件及集成”重点专项。
2.发表在IEEE Sensors Journal [16(16), 6184-6191, (2016)]上的研究成果，入选科睿唯安ESI Hot Papers (TOP 0.1%)，并在2017-2018年度持续入选了ESI Highly-Cited Papers (TOP 1%)；自2016年8月15日发表以来，作为1篇工科电子信息领域的文章，截止2019年1月15日，共计被SCI他引（不含合作者）60次。电子薄膜与集成器件国家重点实验室是唯一单位。
閱讀更多 知社學術圈 的文章
