近日，第71届IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM，国际电子器件大会)于2025年12月6日至10日在美国旧金山召开。IEEE IEDM是电子器件领域的国际知名会议，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的关键技术突破的世界著名论坛，其与ISSCC、VLSI并称为集成电路和半导体领域的“奥林匹克盛会”。中国科学技术大学（后简称中国科大）微电子学院在光电子及功率电子器件领域的4项进展被大会接收。
宽光谱成像技术在自动驾驶、环境监测、安全检查和医疗诊断等诸多领域具有关键意义。然而，要同时捕获目标的多维度信息，通常需要集成不同材料体系的探测器以实现多波段感知，这将显著提升系统构筑的复杂性和工艺制造成本。金属卤化物钙钛矿具有强吸收、长载流子扩散距离、良好的辐射稳定性、带隙可调等一系列优异特性，目前已经在X射线探测、弱光探测等领域展现出了巨大潜力。然而如何将钙钛矿光电子器件异质集成到传统半导体基底上，制备高性能的异质集成芯片依然极具挑战。近日，我校胡芹特任研究员团队成功开发出一种新型钙钛矿/硅基CMOS异质集成的高分辨图像传感器，成功实现了从近红外到X射线波段的超宽谱段（850 nm-40 keV）探测。
研发团队通过对单元器件结构、匹配CMOS读出电路、异质沉积工艺的协同设计优化，成功将钙钛矿光电探测器与硅基CMOS读出芯片集成，制备出从近红外到X射线的宽光谱图像传感器（图1a和1b）。该传感器阵列规模为640 × 512，像元间距为15 μm。得益于精细优化的器件设计和集成工艺，芯片成像清晰（图1c），光响应非均匀性仅为3.1%（图1d）。在白光、软 X 射线及硬 X 射线辐照下的成像结果表明，该芯片能够获得细节丰富、纹理清晰的高质量图像。此外，在软X射线辐照范围，该芯片在850 eV辐照下量子效率达到最高（图1e）；在硬 X 射线辐射下，其空间分辨率达到15.3 lp/mm。当集成芯片暴露于10 kV 的X射线脉冲时，双脉冲易化指数为1.43，显示出该图像传感器具备实现感内计算的智能传感潜力（图1f-h）。
相关成果以 “A Multispectral Image Sensor based on Perovskite/CMOS Integrated Chip with Response from Near-Infrared (850 nm) to X-Ray (40 keV)” 为题发表在IEDM 2025上。我校微电子学院胡芹特任研究员以及国家同步辐射实验室（合肥光源）刘啸嵩教授为论文的共同通讯作者，博士生谭鹏举、杨硕和硕士生刘天宇为论文的共同第一作者。北京理工大学唐鑫教授、合肥光源关勇高级工程师等参与了该工作的联合研究。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
图1 （a）面向诊断机器人的宽光谱图像传感器愿景以及图像传感器结构；（b）图像传感器芯片实拍图及像素的SEM俯视图；（c）白光下的成像结果；（d）532 nm光下像素响应分布；（e）不同软X射线下的量子效率；（f）硬X射线下的成像结果；（g）连续硬X射线脉冲下的Ip随时间变化曲线；（h）利用斜边法提取的该设备的调制传递函数（MTF）曲线。
2.氧化镓基感存算一体器件新进展
面向新一代智能光电探测系统的发展需求，发展传感、存储与计算一体化器件，被认为是突破传统冯·诺依曼架构瓶颈、降低系统延迟与功耗的重要途径之一。然而，现有光电器件难以同时兼顾信息传感、存储与计算能力，尤其是在成熟硅基平台上实现多功能一体化仍面临巨大挑战。针对上述问题，龙世兵教授团队基于极化诱导载流子分离机制，设计并研制了一种超宽禁带 Ga2O3/AlN/Si光电晶体管，在硅基平台上实现了集探测-存储-计算于一体的多功能器件（图2a）。
得益于 Al 极性 AlN 层在 Ga2O3/AlN 界面引入的强极化电场，器件中的 Ga2O3沟道层实现了完全耗尽，从而显著抑制暗电流并确保器件在深紫外光照下获得较高的响应度（图2b）。此外，该极化电场不仅可驱动光生载流子在无外加偏压条件下自动分离，还能促进空穴在 Ga2O3/AlN 界面处的非易失俘获，从而实现稳定的光电存储功能（图2c），器件表现出约10 V的存储窗口、优异的循环稳定性及保持特性。更进一步，Ga2O3体缺陷主导的持续光电导效应又赋予器件可调控的短时记忆特性，使其能够模拟神经突触的对脉冲增强等类脑行为，实现对感知信号的计算处理能力（图2d）。基于该器件构建的物理储备计算系统，在运动方向识别任务中实现了较高的识别准确率，展现出优异的时序信息处理能力（图2e）。该工作证明，在成熟的硅基平台上构建的极化效应辅助的Ga2O3/AlN/Si光电晶体管在先进感内存储和计算应用方面的巨大潜力，为新型智能光电探测芯片的单片集成提供了重要参考。
相关研究成果以 “UWBG Ga2O3/AlN DUV Phototransistors on Si Platform for In-sensor Memory and Computing based on Polarization-Induced Carrier Separation Strategy” 为题发表于IEDM 2025。我校微电子学院龙世兵教授、赵晓龙特任教授、侯小虎特任副研究员和国防科技大学王伟副研究员为论文通讯作者，博士生王艺霖、吴文韬和硕士生韩可举为论文的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划的资助，也得到了中国科大微纳研究与制造中心在器件制备方面的支持。
图2 极化效应辅助的氧化镓光电晶体管及基本特性。（a）结构：氧化镓光电晶体管结构示意图；（b）传感：氧化镓光电晶体管作为探测器表现出极低的暗电流和较高的响应度；（c）存储：图为该晶体管作为光电存储器时的工作模式，其具备无偏压光写入特性；（d）计算：光脉冲序列触发对氧化镓晶体管的类神经突触权重调节，从而实现对信息的感知与计算；（e）应用：基于该晶体管构建的物理储备计算系统，实现了对目标物体运动方向的准确识别。
3.微型紫外光谱成像仪与光电逻辑器件新进展
紫外光谱分析与高光谱成像技术在药品分析、生物检测、环境监测以及有机与生物物质鉴别等领域具有重要应用价值。然而，传统光谱仪和高光谱成像系统通常依赖光栅、滤波片阵列等体积较大的光学元件，不仅系统结构复杂、尺寸庞大，而且难以实现片上集成与实时成像，限制了其在便携化和芯片级应用中的发展。近年来，基于计算重构的微型化光谱仪逐渐受到关注，但相关研究主要集中在可见光和近红外波段，面向紫外波段的微型化光谱与成像方案仍面临材料响应、器件结构及系统集成等多方面挑战。
面向紫外光谱分析、小型化光谱成像及片上集成应用需求，中国科大微电子学院孙海定教授iGaN实验室关于微型片上光谱成像与光电逻辑器件的工作顺利被大会接收并发表。研究团队提出了一种基于背对背光电二极管（Back-to-Back Photodiode, BtB-PD）的微型化片上紫外光谱成像与光电逻辑一体化方案。该器件采用 AlGaN 基 n-i-p 二极管与 GaN 基 p-i-n 结构二极管的背对背垂直集成设计（图 3a），该器件具有电压可调的光谱响应（图3b）以及双极性光电流输出特性。器件在紫外波段表现出优异的光电探测性能，在 355 nm 和 255 nm 波长下分别实现了 450 mA/W 和 -155 mA/W 的高响应度，响应时间为纳秒级（图3d）。依托器件电压可调的光谱响应特性，研究团队构建了微型片上紫外光谱仪，实现了 255-365 nm 波段范围内的光谱重构（图3c），峰值波长分辨率优于 2 nm。在前述工作的基础上，团队进一步改进器件结构，在外延结构中引入 Al 组分渐变层，从而细化了器件对相近波长紫外光谱的分辨能力，峰值波长重构误差达到 0.62 nm。结合高质量外延生长工艺，器件的响应速度得到进一步提升，实现了高光谱分辨率、快速响应的片上紫外光谱成像，该工作顺利被国际光学领域著名期刊自然光子学（Nature Photonics）期刊接收并发表（Nat. Photon. 19, 1322-1329 (2025)）。
团队进一步利用 BtB-PD 在不同波长、强度的紫外光调制下产生的双极性光电流特性，展示了多种光学可控逻辑功能。通过调控入射紫外光的波长与强度，在单个器件结构中实现了 “AND”、“OR”、“NAND”、“NOR” 和 “NOT” 等多种逻辑运算功能（图3e-f），为光电融合计算与片上智能感知系统提供了新的实现路径。该成果以 “A Back-to-Back Photodiode for Miniaturized Ultraviolet Hyperspectral Imager and Optical Logic Gates” 为题发表于 IEDM 2025。论文共同第一作者为我校微电子学院博士生高志祥和博士后余华斌，孙海定教授为论文通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的支持，器件制备主要在中国科大微纳加工制造中心完成。
图3 （a）GaN/AlGaN基背对背光电二极管结构示意图；（b）电压可调的光谱响应特性；（c）光谱重构结果与商用光谱仪对比；（d）超快的响应速度；（e）在不同光照强度下的可重构光电逻辑门；（f）光电逻辑门读出真值示例。
4.氮化镓/金刚石功率集成电路最新研究进展
半桥功率电路是DC-DC、DC-AC等电能变换器的常用拓扑结构，在数据中心、新能源汽车、光伏逆变等领域发挥着不可或缺的作用。传统半桥功率电路通常采用n沟道晶体管（n-FET）串联构成，然而，因上管源极电位浮空，易在高频高压开关瞬态中出现串扰或栅源电压振荡问题。若采用p沟道晶体管（p-FET）作为上管、n-FET作为下管的互补型半桥功率电路，上管源极连接到固定的母线电压，可有效克服上述串扰/振荡问题，在高频高压开关瞬态中实现稳定的栅极驱动电压。宽禁带半导体GaN HEMT具有高浓度、高电子迁移率的二维电子气（2DEG）沟道，是构建互补型半桥功率电路的理想n-FET。然而，因其空穴迁移率较低，当前GaN基p-FET导通性能与高性能n-FET存在明显差距。另一方面，超宽禁带半导体金刚石具有高击穿场强和高热导率，氢终端金刚石表面亦可形成高浓度、较高空穴迁移率的二维空穴气（2DHG）沟道，与具有2DEG的GaN HEMT成为构建互补型功率集成电路的理想组合。
针对上述传统功率半桥电路在高频开关中的串扰/振荡问题，杨树教授研究团队创新性地开发出基于常关型金刚石p-FET与GaN n-FET的互补型功率集成电路。通过低功函数栅金属调控阈值电压，在氢终端金刚石p-FET中实现了常关型操作，同时维持较低导通电阻，其功率品质因数~10 MW/cm2，在已报道的常关型金刚石与GaN功率p-FET中较为先进。此外，通过高速脉冲测试验证了该金刚石p-FET具有良好的阈值稳定性。所研制的高性能金刚石p-FET与GaN n-FET具有良好的电流匹配能力。在此基础上，研究团队成功开发出金刚石/GaN互补型功率集成电路，并实验验证了互补型功率集成电路可在高压高频开关过程中有效抑制栅极驱动电压振荡与串扰，优于传统功率半桥电路，有望为下一代高频、高可靠功率转换系统提供解决方案。
相关研究成果以 “Demonstration of Complementary Power Circuit With Normally-Off Diamond P-FET and GaN N-FET” 为题发表于IEDM 2025上。我校微电子学院博士生储宸悦与杜佳宏为论文的共同第一作者，我校杨树教授与安徽大学唐曦教授为论文通讯作者，该研究工作得到了国家重点研发计划、国家科技重大专项等项目的资助。
图4 （a）传统双n-FET串联半桥功率电路示意图；（b）互补型半桥功率电路示意图、常关型金刚石p-FET与GaN n-FET器件结构示意图；（c）常关型金刚石及GaN p-FETs性能对标；（d）金刚石/GaN互补型功率集成电路；（e）高压高频开关过程中上管金刚石p-FET与下管GaN n-FET栅极驱动电压波形。