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材料科学姑苏实验室公开项目指南(2021年第一批)

  材料科学姑苏实验室(以下简称“姑苏实验室”)是瞄准国家实验室建设标准和国际一流水准建设的新型研发机构。2020年6月30日正式成立并挂牌成为“江苏省实验室”。

  姑苏实验室定位于定向基础研究和竞争前技术开发,致力于与创新链上游的科研院所和下游的企业或产业技术研发机构建设协同创新科研生态,解决国家重大战略需求、行业未来发展需求和产业链安全需求所涉及到的重大科学与技术问题,逐步成为攻坚克难、引领发展的战略科技力量,打造融通创新科技生态新格局。

  为深入贯彻落实国家“十四五”规划,加强产业链的融通创新,姑苏实验室围绕材料领域科学前沿、国家战略需求以及产业需求进行分析和规划,凝练形成 2021年度第一批公开项目指南,现将指南及有关要求予以发布。

一、申报说明

  1. 本批项目指南主要围绕电子信息基础材料与新器件、半导体光电、电子信息装备、功率与微波领域,下设指南13个。

  2. 合作单位需带资金投入,姑苏实验室按照1:1匹配经费,共同在姑苏实验室立项,开展项目研发。

二、项目攻关与成果归属说明

  1. 项目立项。申请单位下载姑苏实验室《立项建议书》模板,撰写《立项建议书》并提交立项申请。姑苏实验室组织项目评审,评审通过后项目立项。

  2. 项目实施。立项后合作双方共同成立项目攻关团队,按照姑苏实验室集成技术开发流程,在姑苏实验室进行项目研发。

  3. 项目验收。项目验收将通过现场验收、用户和第三方测评等方式,具体验收方式在立项阶段由合作单位与姑苏实验室共同协商决定,项目完成后按照验收方案进行结题验收。

  4. 项目成果形式。包括但不限于论文、专利、调研报告、工艺流程文件、阶段总结报告、样品、样机。

  5. 项目成果归属。为促进项目的成果转化,项目实施过程产出的成果在满足一定条件后转让给合作单位。

三、具体指南任务

  01、电子信息基础材料与新器件领域

  • 前沿基础问题

  1. “高纯金刚石晶体材料”项目指南

  (1)背景与目标

   金刚石具有超宽禁带、高电子迁移率、高电子饱和度、高击穿场强和高热导率等特点,近几年金刚石单晶、多晶材料在大尺寸、低缺陷密度等方面均有突破,推动了金刚石在功率微波和量子测控等电子信息领域的应用和发展。大功率激光应用领域的金刚石材料也已列入“新型显示与战略性电子材料”国家重点专项。目前大尺寸金刚石的制备方法主要有高温高压和各类化学气相沉积方法。制备大尺寸金刚石晶圆主要以同质外延生长、马赛克晶圆制备和异质外延生长等方法为主。在电子信息领域,金刚石材料要求缺陷密度低,而器件向高击穿电压、高击穿场强、高温工作、低导通电阻、高开关速率和常关器件的方向发展。在量子测控领域主要以金刚石氮-空位缺陷(NV色心)研究为主,目前针对金刚石NV色心电子自旋的量子态制备和控制可以很好实现,但其附近单个强耦合核自旋的量子态制备保真度只有不到77%,严重限制了其作为量子寄存器的应用效率。金刚石单晶中的缺陷控制和12C丰度是制约其量子测控特性的关键因素。本项目旨在开发高质量的金刚石单晶材料,推动其在功率微波和量子测控等领域的发展。

  (2)问题凝练

   1.高质量金刚石衬底材料

   大尺寸、高质量金刚石衬底材料常采用小尺寸晶圆通过外延生长和剥离工艺获得更大尺寸的“克隆基片”,这些克隆基片的连接相对平整且异常生长得以抑制,边界条件良好。但衬底温度的均匀性是保证基片质量的重要因素,需要克服开裂和生长不均匀的问题。目前采用马赛克拼接方法需要注意的问题一是要保证小尺寸衬底的晶体取向必须一致,二是要减少位错密度。

   2.金刚石NV色心深度控制和相干性

   金刚石NV色心自旋性质研究,高质量NV色心阵列及深度控制,NV色心相干时间研究。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.金刚石衬底材料

   CVD制备2英寸单晶金刚石衬底,位错密度低至100 cm-2。马赛克拼接的金刚石晶圆达到4英寸,n型掺杂浓度达到1020 cm-3。

   2.金刚石NV色心

   金刚石NV色心12C丰度≥99.999%。

  2. “动态视觉感存算一体”项目指南

  (1)背景与目标

   图像传感器分为CCD和CIS两大类别,其中CIS由于体积小、成本更低的优势应用更为广泛。随着物联网市场的增长,对具有低功耗高效率AI能力的相机产品的需求正在增长。而为解决云端AI诸如延迟、通信处理成本和隐私等问题,AI in Camera/Sensor的需求日渐增长。但传统模式下的AI处理器和存储导致系统解决方案复杂,功耗和成本更高。具有动态视觉处理能力的感存算一体智能摄像头是一种有效解决上述问题的器件。“新型显示与战略性电子材料”重点专项中也专门列出了基于“高性能忆阻材料的红外智能感知器件”项目,“智能传感器”重点专项列出了“感算一体化室温红外成像探测技术研究”项目。智能传感器具有三个核心部件:传感器、编码器和AI处理器,能够同时解决白天(可见光)和黑夜(红外)的视觉处理问题,并通过仿生视觉过程将图像转换为灰度和脉冲信息,具有动态物体捕捉能力、高动态范围(>120 dB)、高时域分辨率(~1 MHz)、低功耗、低带宽、低数据冗余的优点。同时,智能传感器利用新型存算一体材料,克服信息处理中的“内存墙”和“功耗墙”瓶颈,实现数模混合信号的存算一体功能,同时解决算力和功耗问题,实现感存算一体功能。

   (2)问题凝练

   1.热敏材料的选择与优化

   常用红外探测器热敏材料为二氧化钒(VO2)和非晶硅。VO2虽然具有较高的TCR和较低的1/f噪声系数,但现实中却很难制备高纯度、高质量、配比准确的VO2和V2O5薄膜,钒氧化物中对热敏探测器无用的相(比如V2O3)的存在阻碍了探测器关键指标的进一步优化。另外,非晶硅虽然具有CMOS兼容性和成本极低的优点,但是无定形硅的TCR和1/f噪声系数普遍不如氧化钒体系。因此,上述两种材料体系仍有优化升级的空间。

2.新型忆阻器件与模拟乘加阵列的制备工艺复杂性及与现有CMOS产线技术兼容的问题CMOS工艺是目前电子信息材料与器件加工制备的主流工艺,绝大多数的集成电路都是使用CMOS工艺制造出来的。新型忆阻器件和模拟乘加阵列的制备需要与CMOS工艺兼容,以达到简化制造步骤、节约工艺成本和大规模量产的目的。所以在忆阻器材料的选取和工艺制造方案的制定方面需要考虑到工艺的复杂度及与CMOS兼容方面的问题。

  3.真空封装技术

  为避免空气分子对红外探测器灵敏度的干扰,需要将其置于真空环境下工作,这便对封装技术及其成本提出了极高要求。目前常用的封装技术有芯片级和晶圆级,晶圆级封装技术虽然已经一定程度上降低了成本,但企业仍有着极大的降本刚需,需要进一步研究。同时,多波段(红外+可见光)探测器的功能集成也对封装技术提出了极大挑战。

  4.新型存算一体材料阻态的稳定性与多阻态的控制问题

  在忆阻器阻态改变的过程中,阻变材料导电细丝形成的随机性会造成阻值的不稳定;同时忆阻器工作过程产生的焦耳热也会影响微结构的变化,导致器件不稳定。在材料的选取过程中,要求材料可以形成相对均一稳定的导电通道;在器件制备的过程中可以尝试添加温稳材料以减少焦耳热的影响。忆阻器中单一阻变材料很难形成多个阻态,所以需要进行多种材料的筛选或者多层薄膜器件完成多阻态的形成与控制。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.红外传感器阵列

   开发2种以上室温工作的红外探测材料体系,红外传感器探测率>1010 Jones,像素尺寸低至12 μm,噪声等效温差<30 mK,热响应时间<10 ms,能耗<100 mW。

   2.忆阻器模拟乘加阵列

   阵列规模达到1152×512,阵列节点量化精度达到4~5 bits,器件与CMOS工艺兼容,能效比数字乘加器提升100倍,面积缩小100倍;忆阻器件编程功耗<1 pJ,编程速度<50 ns,集成规模≥16 Mb。

  • 关键技术问题

  3. “高储能密度反铁电多层陶瓷电容器关键材料与技术”项目指南

  (1)背景与目标

   多层陶瓷电容器(MLCC)具有功率密度高、体积小、容量大等特点,是重要的基础电子元器件。反铁电陶瓷具有良好的介电性能、高储能密度和正的电压系数,可用于高能量密度和高功率输出的功率电子以及电压缓冲器等领域。反铁电MLCC在5G通讯、新能源汽车、脉冲功率等领域都具有重要应用。国家“十四五”规划纲要中提出要集中优势资源攻关关键元器件零部件和基础材料,指出要加快补齐基础零部件及元器件、基础软件、基础材料、基础工艺和产业技术基础等瓶颈短板,其中反铁电MLCC及相应的陶瓷材料为我国电子元器件及材料短板产品。

   铜内电极是反铁电MLCC高性能化和大规模商用化的前提,也是包括TDK等国际领先MLCC制造厂商的核心竞争力之一。目前,国内尚未能掌握铜内电极反铁电MLCC的核心技术,严重制约了反铁电高端MLCC的发展。本项目旨在攻克铜内电极反铁电MLCC的关键科技难题,开发出基于铜内电极的反铁电MLCC,进而培育和占领自主可控的MLCC高端市场,提升我国相应下游产业如汽车电子等领域的制造能力和市场竞争力。

  (2)问题凝炼

   解决铜内电极与反铁电陶瓷的低温共烧问题,研究反铁电MLCC的结构设计与制备工艺。

   1.低氧分压下铜内电极与反铁电陶瓷共烧

   铜电极浆料在高温下容易氧化,因此反铁电MLCC必须要在低氧分压和还原性气氛下烧结,关键在于陶瓷介质材料的性能在还原气氛下烧结如何保持。因此需要确定抗还原的反铁电陶瓷配方和抗氧化的电极浆料配方,确定铜内电极与反铁电陶瓷共烧的气氛条件。

   2.反铁电陶瓷的低温烧结与致密化

   铜电极浆料的烧结温度在900-1020 ℃之间,反铁电陶瓷的烧结温度高于1260 ℃,两种材料的烧成温度有很大差距。需要研制出烧结温度低并能与铜电极浆料共烧的反铁电瓷料,适应铜内电极的温度范围内(1020 ℃以内)烧结,且实现致密化,确定铜内电极与陶瓷共烧的温度准则方案。

   3.铜内电极与反铁电陶瓷界面分析

   由于金属与陶瓷的收缩率不同,烧结过程中易产生界面应力失配而发生分层和翘曲等问题,会严重影响MLCC的耐电强度和可靠性。研究铜离子在陶瓷中迁移的原理,以及陶瓷与铜内电极的烧结收缩特性,改善陶瓷与电极界面的应力失配问题。

   4.铜内电极反铁电MLCC的工程化研究

   开展基于铜内电极反铁电MLCC结工程化的研究,研究反铁电陶瓷粉体制备、烧结工艺及流延工艺对反铁电MLCC性能的影响;针对具体的应用场景,研制出相应的反铁电MLCC器件,掌握反铁电MLCC制造的核心技术。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.材料指标:

   储能密度≥10 J/cm3,效率大于90%,转折场>30 kV/mm,耐压>40 kV/mm;介质损耗<0.5%;(样品厚度不低于60 μm,有效电极面积不小于10 mm2)。

   2.MLCC器件指标:

   针对具体的应用场景,研制出两类反铁电MLCC:

   高压脉冲型:额定电压4 kV下放电电流≥6 kA,放电寿命≥3000次;

   功率电子型:额定工作电压500 V,耐压≥650 V,零偏压容量≥0.35 μF,工作温度-40-125 ℃。

  4. “用于高端处理器的封装材料与封装工艺制程仿真能力研发”项目指南

  (1)背景与目标

   随着芯片的集成度越来越高,芯片产生的热量也越来越高,超过55%的电子器件失效是由温度因素引起的。回流过程中的高温以及芯片工作中产生的可观热量会导致芯片与基板之间发生热失配,产生的应力足以导致芯片失效。封装过程所涉及到的底封胶材料和热界面材料对芯片可靠性有着至关重要的影响。底封胶材料能够重新分布热失配产生的应力,避免应力集中保护脆弱的焊点。热界面材料可以显著降低界面热阻,提高热量的传递能力。集成电路封装、测试产业被列入《国务院关于印发新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》重点发展对象。目前,中国封装行业已走在中国集成电路进口替代进程的最前端,长电科技、华天科技以及通富微电为三大中国封装龙头企业。

   传统封装工艺流程涵盖从材料物性到工艺参数等的风险评估,但是其周期长、风险大、成本高,且很大程度上依赖工作人员的经验判断。使用仿真技术部分替代传统的封装工艺过程,两者的协同作用一方面降低了生产风险,另一方面也加速了新产品研发的过程。

   本项目旨在弥补国内基于处理器的封装材料数据库缺失,结合仿真技术替代传统的处理器封装工艺过程,形成完整的封装材料与封装工艺制程的数字孪生技术。

  (2)问题凝练

   1.多尺度衔接、多模块间传递的封装热界面材料数据库的建立:

   1)数据库通用的接口规范,解决流程的灵活性、鲁棒性、解耦性。

   2)数据库尺度衔接,从上一尺度的计算数据中提炼信息,指导下一尺度模型的构建、参数或方法的选取,超越简单的ETL(提取转换加载)范畴。

   3)数据的跨尺度计算。规划数据的层次组织结构,设计高通量任务流程,填充数据库。

   4)性能参数数据库:导热理论模型,瞬态和稳态法,应力—应变关系,热力学行为,粘弹性行为,界面效应,应力分布分析。

   2.基于仿真等手段的处理器封装工艺流程的热固耦合及热失效机理研究:

   1)深入理解工艺流程中涉及的多物理场耦合作用。

   2)深入理解回流工艺中涉及的流体力学、热传导和热机械耦合作用下,芯片失效的控制因素和影响规律,包括对流传热和热传导,稳态与瞬态热分析,热固耦合作用,模拟炉温曲线、产品温度和应力分布。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.完善的封装材料数据库及工艺参数数据库,包含关于微电子封装材料的热、机械、电和物理性能的数据,收录数据曲线大于10000条。

   2.建立一套基于封装材料的热应力致失效理论模型,基于多物理场仿真的芯片封装工艺流程仿真方法。

   3.建立基于有限元仿真的芯片封装结构失效风险判定方法与标准。

  5. “高性能聚合物压电薄膜材料”项目指南

  (1)背景与目标

   压电材料能够实现电能-机械能的相互转换,是自供电电子设备的核心原材料,可用于能量收集器、传感器、驱动器、光电探测器等多样的应用场景。相较于含铅无机材料,压电聚合物是柔性材料,易加工,工艺成本低,与液体或生物软组织的声学匹配优异,可以制作极薄的组件,且对环境友好,在智能传感、生物识别、医疗超声检测、可穿戴自供能器件、水声探测等方面有良好的实用前景。基于压电聚合物的先进器件应用研究尚不充分,需要围绕聚合物材料本身、并结合当代微电子学的先进器件展开大量先导研究。相比于无机压电材料,聚合物压电材料的压电性能较低,限制了其应用范围。此外,常规的压电特性测试仪器多适用于测试块体材料,针对柔性压电薄膜材料的表征技术与测试设备(如d33测试仪器)尚有很大改进空间。

   本项目旨在面向应用探索、优化聚合物压电薄膜材料的性能,在工业规模层面优化薄膜的成分配方和制备工艺,研究与柔性材料相适应的表征技术以支持相关材料的研发,推动基于聚合物压电材料的相关先进器件的研究。

  (2)问题凝炼

   1.优化聚合物压电薄膜的成膜、晶化和极化方法。

   2.提高聚合物压电薄膜压电系数及综合性能。

   3.研究聚合物压电薄膜制备工艺和薄膜参数测试技术。

   4.研究聚合物压电薄膜器件设计、软件算法及制造技术。

   5.开发与柔性材料与器件相适应的工艺设备和测试设备(针对材料、单个器件和阵列器件)。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.可制备大面积压电薄膜,并不对薄膜下晶体管阵列造成等离子损伤,成膜工艺的成品率 (以压电系数均匀性、CMOS器件完好率综合衡量)高于90%;

   2.压电系数在平行于薄膜方向具备微米至亚微米尺度上的均匀性,满足与微电子线路的集成应用(如声学成像或红外成像);

   3.材料压电特性的表征技术应将对柔性聚合物薄膜的损伤 (如塑性形变) 降至较低水平,满足在线检测的需求。

  6. “新型无机复合聚合物基热界面材料与工艺开发”项目指南

  (1)背景与目标

   随着电子/光电子器件的多样化、尺寸的缩小和功率密度的增加,有效热管理成为现代电子学发展的一项关键挑战。有效减小界面热阻和热应力,防止器件持续过热,是保证器件正常使用的关键。开发先进的热界面材料和工艺对于实现有效的热耗散、提升器件性能至关重要。工信部《基础电子元器件产业发展行动计划 (2021—2023年)》明确指出要突破关键材料技术,提升配套能力,推动关键环节电子专用材料研发与产业化。热界面材料作为一类电子专用复合材料,在消费电子、通信设备、汽车和家用电器等下游领域具有广泛应用,预计到2025年市场规模可达20亿元左右。

   开发新型热界面材料与工艺,对于提升电子元器件性能,满足电子信息产品的不断更新换代尤为重要。本项目旨在开发高导热性的热界面材料与工艺,以减小热界面材料与器件接触面的热阻,促进高效热耗散,满足面向下一代电子信息器件的新应用。

  (2)问题凝练

   1.无机材料复合的聚合物基热界面材料的开发与性能提升

   理想的热界面材料应具备以下特性:1. 高导热性;2. 高柔韧性;3. 绝缘性;4.安装简便并具可拆性;5. 广泛适用性。当前,常用的BN、AlNx、SiC等无机填料虽可有效改善聚合物材料的热导率,但同时会使得聚合物材料变脆、变硬,可加工性和柔韧性下降,使聚合物作为高可加工材料的优势丧失。本项目的首要任务是开发综合性能良好的聚合物基热界面复合材料,满足可加工性的需求。

   2.热界面材料与器件接触面的热阻形成与热耗散机制

   理论上可以通过分子动力学等计算工具来模拟热界面材料-器件接触面体系的热传导行为。稳态、瞬态的热测量实验技术也可以多种方式表征界面热阻来源和不同条件下的热耗散行为。本项目的另一项关键任务是对热阻形成与热耗散机制进行理论模拟和实验表征。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.开发尺寸均匀的高热导率(>400 W·m-1·K-1)无机填料,改善无机填料与聚合物基体界面的浸润性质,实现复合材料的高柔韧性和可加工性。

   2.聚合物基复合材料的整体热阻控制在0.1 cm2·K/W左右或以下,在较宽的温度范围内热性能和力学性能稳定。

  7. “面向高频器件应用的介质材料研发”项目指南

  (1)背景与目标

   5G技术是全社会向数字化转型的基石,随着全球5G网络规模化商用步入快车道,针对6G研发的布局已全面拉开帷幕。通信技术的发展对元器件提出了轻量化、高集成化和高频化的要求。微波介质陶瓷耐高温、强度高、成本低,是高频应用重要的基础材料,具有相对较高的介电常数、低损耗和近零的谐振频率温度系数,在现代通讯中被用作谐振器、滤波器、介质天线、介质基板等。工信部《基础电子元器件产业发展行动计划(2021—2023年)》指出,要支持电子元器件上游电子陶瓷材料等电子功能材料,电子浆料等工艺与辅助材料的研发和生产,推动关键环节电子专用材料研发与产业化。

本项目旨在研发面向高频(毫米波)应用的低损耗微波介质陶瓷,及相关配套的电子浆料,实现在5G/6G关键基础材料上的自主可控生产,引领新一代通信技术的发展。

  (2)问题凝炼

   1.高频(毫米波)下低损耗微波介质陶瓷材料体系的开发。

   2.与微波介质陶瓷相配套的HTCC、LTCC电子浆料研发。

   3.陶瓷浆料与电子浆料的共烧技术。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.介质陶瓷:

   中介微波陶瓷:介电常数40以上,Qf 50000 GHz以上,谐振频率温度系数近零(±5 ppm/℃)。

   高介微波陶瓷:介电常数80以上,Qf 15000 GHz以上,谐振频率温度系数近零。

   2.电子浆料:

   与国产生料带及其他浆料匹配,不腐蚀、不分层、不扩散、无裂纹。

02、半导体光电领域

  • 前沿基础问题

  1. “环境友好型QLED量子点研制”项目指

  (1)背景与目标

   在显示和照明领域,量子点作为目前唯一能接近实现Rec. 2100色彩空间的显示材料,凭借其更广的色域、更大的亮度和更高的效率,为该行业带来了全新的视觉体验。国家“十三五”、“十四五”规划分别将量子点列为“战略性先进电子材料”、“新型显示与战略性电子材料”。目前,作为第三代量子点显示产品的量子点发光二极管(QLED)正在成为全球显示终端市场的主流技术,韩国三星电子在QLED技术领域处于主导地位,国内TCL、京东方等企业,也已推出世界领先的31、55吋的QLED 4K显示面板。

   现有主流量子点体系一般含重金属污染元素镉(Cd)。然而,各类国际强制性标准(如欧盟RoHS指令)一般限制镉在电子电器设备中的使用。镉的存在严重制约了量子点显示技术的市场准入和推广应用。

   开发环境友好型量子点体系以替代含镉量子点是推动新型显示这一战略新兴产业发展的重大需求。本项目旨在开发环境友好型QLED量子点,以最终获得外量子效率、亮度、寿命等参数水准达到甚至超越镉系量子点的水平的量子点显示器件,推动量子点显示应用技术发展。

  (2)问题凝练

   1.能够实现红绿蓝三色光发射的环境友好的无镉量子点体系(InP基红光发射体、ZnSe基蓝光发射体、无机钙钛矿型量子点等)的探索。

   2.粒径大小和分布的精确控制。

  量子点粒径大小决定了发光波长,粒径分布决定了半峰宽。本项目的关键问题之一是实现对目标材料体系的粒径尺寸和粒径分布的精确控制。

  3.掺杂、缺陷与界面调控。

   元素掺杂、体系缺陷和界面态的存在会显著影响QLED器件中载流子的注入、复合和输运行为。实现有效可控的元素掺杂,减少体系缺陷,改善量子点/电子传输层之间的界面质量是本项目的另一目标。

   4.环境友好型无镉量子点性能指标(稳定性、发射光谱纯度,以及发光效率等)的可重复性提升。

   5.环境友好型无镉量子点器件工艺研究。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.蓝光量子点

   发光中心波长:440-470 nm,半峰宽FWHM≤35 nm;QLED器件EQE>15%;电流效率>12 Cd/A;寿命:LT95>1000 hr@1000 nit。

   2.绿光量子点

   发光中心波长:520-540 nm,半峰宽FWHM≤38 nm;QLED器件EQE>20%;电流效率>80 Cd/A;寿命:LT95>2000 hr@1000 nit。

   3.红光量子点

   发光中心波长:620-640 nm,半峰宽FWHM≤40 nm;QLED器件EQE>20%;电流效率>30 Cd/A;寿命:LT95>5000 hr@1000 nit。

   验证标准:需要将量子点材料制备成QLED器件后,在不小于2×2 mm2的发光区域中完成实际测试。

  2. “太赫兹量子级联激光器”项目指南

  (1)背景与目标

   太赫兹(THz)是指频率从100 GHz到10 THz的电磁波,对应波长为3 mm到30 μm,介于毫米波与红外线之间,处于电子学和光子学之间的过渡区。太赫兹波的频带宽、测量信噪比高,适合于信息领域的高空间和时间分辨率成像与信号处理、大容量与高保密的数据安全、大气与环境监测、实时生物医学诊断等领域,在国民经济以及国家安全等方面有重大的应用价值。太赫兹辐射源是太赫兹领域的关键器件,高效太赫兹/长波红外信号辐射源和探测器件也列入了国家自然科学基金委公布的“优先发展领域及主要研究方向”。在众多种类的太赫兹辐射源中,基于半导体的全固态太赫兹量子级联激光器以其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成的特点成为研究热点。但目前太赫兹量子级联激光器仍存在一些问题,包括激光跃迁激发态寿命短,长波长太赫兹导致大的光学模式,从而使得小的增益介质和光场之间的耦合作用很弱,并且由于材料中自由载流子的吸收作用,存在大的本征光学损耗,同时,激光器的工作温度很低。本项目旨在开发实用型的半导体全固态太赫兹源,突破关键器件工艺,推动太赫兹器件的发展。

  (2)问题凝练

   1.有源区设计

   太赫兹QCL有多种有源区设计,其中,束缚态向连续态跃迁结构设计中的有源区能够有效利用多阱结构的高注入效率和超晶格结构的高抽取效率,最大限度地提高了粒子数的反转程度,是目前最好的量子级联激光器的结构,但工作温度比不上共振声子辅助的有源区设计。因此需要合理有效的有源区设计,将束缚态向连续态跃迁和共振声子结构杂化以实现较低阈值电流密度和较高的工作温度和输出功率。

   2.波导设计

   等离子体波导制备工艺简单,输出效率高,是大功率太赫兹QCL常用的波导结构。但随着波长的增加,等离子体波导已经不能有效地把光场限制在有源区内,而且太赫兹波段自由载流子吸收较强,从而加大了实现增益的难度。而限制因子接近于1的双面金属波导结构适合高工作温度的太赫兹QCL,但出光孔径小,激光输出功率低。因此需要采用合适的波导设计提高光场的限制因子进而提高增益。

   3.太赫兹量子级联激光器的工艺问题

   量子级联激光器有几十乃至上百个周期,每个周期由注入区、有源区和弛豫区共几十层组成,每层的厚度均在纳米级,需要采用极为精确的生长方式以获得性能优异的激光器器件。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.脉冲模式

   最高工作温度>200 K,激射频点2-4 THz,最大峰值辐射功率>250 mW。

   2.连续模式

   最高工作温度>117 K,激射频点2-4 THz,最大峰值功率>150 mW。

  • 关键技术问题

  3. “科学级CCD探测器研发”项目指南

  (1)背景与目标

   科学级CCD探测器为分析仪器、半导体测试等领域的核心零部件,其作用是通过成像或者得到谱线的方式,获取分析结果,相当于仪器的眼睛。国家“十四五”规划纲要中指出:“加强高端科研仪器设备研发制造,构建国家科研论文和科技信息高端交流平台”;“聚焦高端芯片、操作系统、人工智能关键算法、传感器等关键领域,加快推进基础理论、基础算法、装备材料等研发突破与迭代应用。”同时,科学级CCD技术也一直是国家打破国外高端科研仪器垄断的关键点。

   高性能科学级CCD探测器可以在极弱光的条件下,高灵敏地进行成像,其需要具有极低的暗电流和噪音水平。该领域市场上欧美布局相关产品早,其已经针对不同应用环境推出了不同的科学级相机,例如极低噪音、光谱用、EM增强、工业用等不同型号,国内大部分企业专注于CMOS芯片/相机的生产研发。CMOS成像芯片相比于CCD探测器非深制冷,噪音较高,无法满足高端应用领域的需求。

   开发科学级CCD探测器是国产高端科研仪器开发的关键核心技术。本项目旨在开发科学级CCD探测器,完成真空封装、电子电路设计优化,实现感光芯片至成品科学级CCD探测器的完全自主生产,打破国外垄断现状,推动国产高端科研仪器以及关键零部件的快速发展。

  (2)问题凝练

   1.避免电极遮挡,提高量子效率

   背照式CCD由于无电极遮挡,具有更高的理论量子效率,为科学级CCD首选。

   2.降低器件表面的反射

   器件表面的反射会降低CCD的量子效率,因此需降低器件表面的反射,如通过磁控溅射制备减反层等。

   3.去除界面陷阱

   界面陷阱对短波长的量子效率影响很大,需减小界面陷阱提高CCD的量子效率。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.制冷温度低至-70 ℃以下。

   2.最高量子效率大于90%。

   3.读出噪音为3e-,暗电流为0.0004e-/pix/s。

   4.分辨率根据应用场景和芯片尺寸,横向分辨率大于1 K。

03、电子信息装备领域

  • 关键技术问题

 1. “大面积约瑟夫森结制备设备研发”项目指南

  (1)背景与目标

   量子计算硬件基础设施是处于信息科学与材料等基础学科交叉创新点上的前沿领域。国家“十四五”规划明确指出,要瞄准人工智能、量子信息等前沿领域,加强原创性引领性科技攻关,在类脑智能、量子信息等前沿科技和产业变革领域,谋划布局一批未来产业。

   超导量子计算是国际上主流的、且极具竞争优势的量子计算技术路线。约瑟夫森结是构建超导量子比特乃至超导量子芯片的基础结构。大面积约瑟夫森结制备设备是面向下一代高比特集成量子芯片制造技术的关键装备。目前法国的Plassys、美国的Angstrom、中国台湾地区的铠铂具备该类型设备的技术开发实力和定制化产品。国内大陆地区也在开展相关设备研发布局。

   本项目旨在开展大面积约瑟夫森结制备设备的关键技术攻关和装备整机集成,实现量子计算核心需求设备的国产化,满足下一代高比特集成超导量子芯片制造技术的装备需求。

  (2)问题凝练

   1.多腔室(Loadlock/Aneal, Ion Milling, Ebeam-Evaporation, Oxidation)整机系统的超高真空互联兼容性。

   2.多种薄膜生长工艺的系统设计兼容性和沉积薄膜的质量控制(均匀性、表/界面缺陷)。

   3.晶圆转移过程的系统设计和稳定性。

   4.整机设备的自动化操作系统设计。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.该型设备能实现6-8寸晶圆的大面积双倾角蒸发,可实现晶圆的180°倾斜及

360°旋转,双倾角精度控制在0.1°水平。

   2.实现高度可靠和可重复的全自动晶圆传输能力。

   3.实现超大腔体超高真空度(<1×10-10 mbar)的维持。

   4.设备验证实现优异的镀膜及刻蚀均一性(优于2%)和重复性(优于5%)。

   5.工作过程(电子束蒸镀和In bump过程)中样品温度控制在0 ℃到室温。

04、功率与微波领域

  • 前沿基础问题

  1. “新型硅基电力电子器件”项目指南

  (1)背景与目标

   我们国家提出“碳达峰,碳中和”的目标,电力电子器件在节能减排中起到了非常重要的作用。近几年,借助于优异的材料性质,第三代半导体成为电力电子领域最受瞩目的材料系统。对比而言,硅材料、工艺和器件是过去七十多年研究最深入的材料与器件系统,这使得硅基功率器件和功率IC成为目前性价比最好的材料和器件体系。硅器件具有非常强的工艺制造兼容性,深入的可靠性机理研究,使硅基器件在关注成本和可靠性的众多应用领域得到了更多的青睐。2020年,硅基分立电力电子器件和功率IC的市场规模超过400亿美元,超过97%的市场份额仍然是硅基功率IC和器件。利用成熟的Si/SiO2材料体系,进一步探索耐高压、低导通电阻的硅基功率FET仍然是市场感兴趣的领域。

   上世纪八十年代和九十年代,硅基IGBT和超结器件是性能优异的全控型、高耐压、低开关和导通电阻开关器件。本项目旨在利用成熟的硅材料体系,研究新的硅基功率器件结构,进一步改善硅基功率器件的耐压、开关和导通电阻等性能。

  (2)问题凝练

   1.硅基新耐高压结的器件结构提出和优化。

   2.新器件中场板结构的应用和优化。

   3.器件物理的研究和仿真模型的建立和优化。

   4.相应驱动电路和功率IC的设计和优化。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.耐压>600 V。

   2.导通电阻(Rds.on:<10 mΩ·cm2)。

  2. “超导太赫兹波探测器关键材料与技术”项目指南

  (1)背景与目标

   太赫兹频率在0.1 THz~10 THz之间,是电磁波中唯一尚未完全开发的频段。太赫兹技术被列为21世纪重大的新兴科学技术领域。超导太赫兹波探测器技术的突破可提高远距离探测的灵敏度和精度,在深空宇宙探测、航空航天和各类功能卫星等国家重大科学工程任务中有重要应用,在安检系统等民用领域亦有巨大市场需求。太赫兹/长波红外器件设计、太赫兹/长波红外材料生长和器件研制是国家自然科学基金委信息学部的优先发展领域及主要研究方向。利用超导材料制备的太赫兹检测器具有工作频率广等优点,然而超导工作机制基于低温的工作环境,极大地增加了设备运营和维护成本,阻碍了太赫兹技术民用化与产业化的进程。

   本项目旨在打破现有超导材料和器件极低温工作环境带来的制冷难题,研发可在相对较高温度条件下工作的超灵敏超导太赫兹探测器,填补国内技术空白,引领全球先进太赫兹探测器的发展。

  (2)问题凝练

   1.超导薄膜研究

   研究氮化物超导材料异质外延过程中薄膜晶体结构缺陷形成的深层物理机制,不同缺陷对超导Tc温度的影响,研制Tc相对高的超导薄膜,使太赫兹探测单元在远离绝对零度的温度区间工作。

   2.高质量探测器件研究

   研究超导远红外探测器在温度平衡和非平衡机制下,声子噪声和库珀电子对再生结合噪声分别对探测器灵敏度影响的物理机制,解决超导探测器制作良率低、稳定性差等瓶颈问题。

  (3)参考指标

   通过本项目的实施,最终达到以下参考指标:

   1.探测器灵敏度NEP ≤10-15 W/Hz1/2。

   2.带宽可控,可检测频率覆盖0.1 THz-10 THz。

   3.单像素响应时间在皮秒到飞秒量级。

   4.探测器阵列像素规模 >10000个,并且保证在相对高的制冷温度环境(≥4 K)下工作。

  联系人:顾心瑶0512-66600192

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