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。

在大尺寸宽禁带/半导体单晶衬底外延设备、材料生长等方面做出了突出的工作。2001年始，研制出国内第一台用于氮化镓（GaN）衬底的卤化物气相外延（HVPE）系统，研究发展了获得高质量GaN衬底所需的所有关键技术并拥有自主知识产权，在氮化镓单晶衬底设备和材料技术领域已获授权国家发明专利30余项、申请国家发明专利30余项。在国内最早研制出2英寸毫米级GaN单晶衬底，建成6英寸HVPE系统并实现7片2吋及4-6吋GaN均匀生长；研究出创新性的GaN衬底批量制备技术，即将进行高质量、低成本GaN衬底的产业化应用，为第三代半导体应用奠定了材料基础。

本发明公开了一种激光辅助低温生长氮化物材料的方法及装备， 该方法将非氮元素的前驱体蒸汽和活性氮源前驱体气体分别输送到反 应腔室内温度为 250 至 800℃的衬底材料处，利用波长与活性氮源分 子键共振波长相等的激光束作用于活性氮源气体，使激光能量直接耦 合至活性氮源气体分子，加速 NH 键的断裂，提供充足的活性氮源， 使非氮元素与活性氮源发生化学反应，沉积第 III 族氮化物膜层材料， 持续作用直到沉积物覆盖整个衬底

团队与合作者首次报道了米级单晶Cu(111)衬底的制备方法，并在此基础上实现了米级单晶石墨烯的外延生长（Science. Bulletin 2017, 62, 1074）。与石墨烯不同，六方氮化硼等其它绝大多数二维材料不具有中心反演对称性，其外延生长普遍存在孪晶晶界问题：旋转180°时晶格方向发生改变，外延生长时不可避免地出现反向晶畴，而在拼接时形成缺陷晶界。 开发合适对称性的外延单晶衬底是解决这一科学难题的关键。研究团队探索出利用对称性破缺的衬底外延非中心反演对称二维单晶薄膜的新方

项目简介用直流电阻率法的单极-偶极装置在全测区形成相互交错的正交观测系统；应用该三 维高分辨电阻率勘探及直接成像方法可以克服现有二维高分辨电阻率勘探方法由于旁侧 效应引起的洞道定位不准，和洞道形状不确定的问题。较一般的三维高密度电阻率勘探 对地下洞道的敏感性高，真正实现了对地下分析分辨单元的多次覆盖测量。 性能指标 具有较强的抗干扰和剔除静态偏移的能力，易于实现测区的滚动测量和无缝衔接。 三

成果创新点 可用于医疗监测、运动状态评估、测谎仪等。 对皮肤电阻进行检测，可帮助了解自身的自主神经健 康状况，及时治疗。运动员可以通过皮肤电阻变异性检测 装置了解自身交感神经的活跃度，从而了解自身状况是否 适合运动、剧烈运动后是否得到充分休息。当人说谎时， 交感神经活跃度会不自主地提高，造成皮肤电阻下降，这 些数据可以在仪器上直观地呈现。 相对目前主流侵入性检测，本技术无需 24 小时动态

可用于医疗监测、运动状态评估、测谎仪等。 对皮肤电阻进行检测，可帮助了解自身的自主神经健康状况，及时治疗。运动员可以通过皮肤电阻变异性检测装置了解自身交感神经的活跃度，从而了解自身状况是否适合运动、剧烈运动后是否得到充分休息。当人说谎时，交感神经活跃度会不自主地提高，造成皮肤电阻下降，这些数据可以在仪器上直观地呈现。相对目前主流侵入性检测，本技术无需24 小时动态连续检测，无需限制测试者的活动；设备简单，容易测量。采样频率为 10Hz，远大于市面上其他的皮肤电阻采集器，可连续工作达 5 小时。数据无线传输，受测者在测试过程中可从事的活动类型不再受限；数据采集中不需变换档位，数据采集连贯无跳变。装置嵌入分析程序，无需专业医护人员，即可直观了解自主神经系统的健康情况。

本新技术成果（发明专利：201010238708.2）针对高土壤电阻率地区采用外引地网来降低接地电阻时因主网和辅网相隔离较远的难以测量的现实问题，基于原创性且国际先进水平的理论成果，自主研发一种双地网接地系统接地电阻的测量方法。该方法计算简便，物理意义明显，克服工程应用中测量双地网布线麻烦的难点。目前，该测量方法已经得到了广泛的验证，显示出明显的效果。 该测量方法具有国际先进水平，可控性强、准确度高，填补了可信性自动验证的空白，有着广阔的应用领域。

超声波流量计采用先进的“时差法”测量原理对管道中纯净液体（<10%）的流动方向和实际流量进行精确测量。利用超声波脉冲在通过液体顺逆两方向上传播速度之差，来求圆管内液体的流量。 这种测量只需要管道外壁进行测试，因此不影响管道的正常运行。使用这种仪器，只需输入管道参数（外径、壁厚、管材及液体温度等），就可测出流速、流量及累积流量。 项目获奖及申请专利情况：本系统正在申请国家发明专利 项目的最新进展、所达到的水平： 目前国内外超声波流量计研制的厂家有4-5家，但是其技术水平与国外相比，在探头设计上，还差别较大，表现在测量信号不稳定，以及处理复杂回波信号时，对波形的分析不够透彻，因此该类仪器在强干扰和大量程的场合，几乎还是进口产品的天下，我们设计的全系列超声波产品，其探头设计技术水平上，已接近国外同类产品的水平，在工业现场经过了多次的改进后，产品已经成熟。并在多处工业现场得到了实际的应用，我们独有的超声波回波处理系统在处理工业现场复杂回波方面，有长期的经验。 项目的关键数据，如性能、各项指标等：时差法超声波流量测量系统采用单片机设计，具有4－20mA电流输出。四位数字显示,可显示瞬时流量和累计流量。具有模拟量、数字量输出。 项目的应用范围、领域： 时差法超声波流量测量系统为非接触式流量计，对多种流体的测量。可广泛应用在冶金、煤炭、电力、石油、化工、粮食等部门。 可按照用户要求提供多种优质超声波探头。9．特 点： ·外缚式安装，不接触液体，无须维护 ·显示和存储瞬时流量及累积流量 ·双通道测量，不受液体中紊流影响 ·有多种探头型号选择使测量范围更大（6-6500mm） ·可选配测量壁厚探头测量管道壁厚（1-200mm） ·选温度传感器可测热量流