材料科学姑苏实验室公开项目指南 （2021年第二批）

材料科学姑苏实验室（以下简称“姑苏实验室”）瞄准国际一流水准建设，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年度第二批公开项目指南，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光电材料与器件、电子信息基础材料与新器件、电子信息装备、功率与微波、显示与成像、MEMS与传感器领域，下设指南25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。 3. 2021年指南项目受理截止日期为2021年12月5日。 4. 有意向申请单位请将合作意向发送至：guxinyao2020@gusulab.ac.cn，联系人：顾老师，联系电话：0512-66600192。   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   光电材料与器件领域 • 前沿基础问题 1. “面向光伏应用的钙钛矿材料稳定性研究”项目指南 （1）背景与目标 钙钛矿材料主要是指由阳离子、金属阳离子和卤素离子组成的一类新型半导体材料。钙钛矿材料特殊的晶体结构使其具有优异的光电性质，如高载流子迁移率，强光吸收和高光致发光量子产率等，在光伏太阳能电池领域有巨大应用前景。随着传统能源的消耗，能源危机成为社会面临的重大问题，寻找一种新型的清洁能源迫在眉睫。太阳能具有绿色无害、储量丰富以及可再生等优势，通过太阳能电池可以将太阳能转化为电能，对于解决能源短缺以及实现 “碳达峰、碳中和”的目标具有重要意义。钙钛矿电池因其不断攀升的效率成为第三代太阳能电池的候选者。2021年国家重点研发计划列出了“新一代钙钛矿太阳能电池关键材料及宏量制备技术”重点专项，支持钙钛矿电池组件关键技术研究。 实验室级别的钙钛矿太阳能电池转化效率已经达到 25.5%，但其存在的一个关键问题是长期稳定性不足，而稳定性和寿命是衡量钙钛矿太阳能电池能否实现商业化应用的关键技术指标。本项目旨在深入研究用于太阳能电池的钙钛矿材料，探索加工工艺、结构、性能之间的关系，针对高稳定性钙钛矿太阳能电池技术要求，开展钙钛矿关键功能层制备、电池性能退化机制与评价方法等研究，进而改善钙钛矿太阳能电池在实际应用条件下的稳定性和寿命。 （2）问题凝练 1. 钙钛矿材料合成、前驱体溶液制备及材料本征稳定性问题。 2. 钙钛矿电池光吸收层、电荷传输层稳定化制备问题。 3. 钙钛矿电池及组件缺陷机理问题。通过材料工程、界面工程及后处理工艺等降低或抑制缺陷，提升电池效率及稳定性。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 钙钛矿电池效率： 活性面积≥1 cm2，光电转换效率≥22%（AM1.5G）。 活性面积≥50 cm2，光电转换效率≥20%（AM1.5G）。 2. 电池模组稳定性（活性面积≥50 cm2） 在85 ℃、AM1.5G条件下加速老化1000小时，器件效率衰减≤10%。 在光照/黑暗交替加速老化条件下循环1000次，循环周期≥20分钟，器件效率衰减≤10%。 在-40 ℃~80 ℃之间冷热交替、极端温度下保持≥10分钟的加速老化条件下循环200次，器件效率衰减≤10%。 在50±10 ℃、AM1.5G模拟太阳光条件下最大功率点持续输出10000小时，器件效率衰减≤20%。   2. “大调制带宽绿光Micro-LED可见光通信芯片研究”项目指南 （1）背景与目标 可见光通讯（Visible light communication, VLC）是一种新兴的无线通讯技术，是室内高速无线通讯的一个潜在方案。可见光通讯能有效地利用空白的频谱资源，以扩充5G及物联网（IoT）当前所使用的拥挤的通讯频谱。在常见的红、蓝、绿三色LED中，绿光LED因受限于材料特性的影响，在频宽的表现上仍有很大的进步空间。一般而言，传统大尺寸的LED（40 mil）仅能达到数10 MHz的频宽，无法实现较高速率的传输。一般可以通过采用缩小芯片尺寸，提升注入电流密度进而降低载流子辐射复合寿命的方式来提高LED的调制带宽。 然而，在大驱动电流密度下，LED能量转换效率存在迅速下降的问题，即Droop问题，不利于发挥LED照明的功能。通常当电流密度增加到50 A/cm2以上时，LED芯片开始遭受严重的效率下降，严重影响了LED光源流明密度的提升。由于无法利用理想成熟的材料系统，提高绿光LED的效率面临很大挑战：目前用来制作高效蓝光LED的III-N系列，在波长更长的情况下效率会变低；可见光红光的波段范围内效率很高的III族磷化物也面临同样的困扰：延伸这一类LED的光发射更短的波长，效率会降低。简而言之，材料系统在黄绿色谱范围里效率很低。III族氮化物在绿光波段造成效率降低的两个因素是：外量子效率和电效率的下降。Droop效应的存在，使大注入电流密度高调制带宽LED的发光效率大幅下降，尤其黄绿波长LED的调制与发光性能受到严重影响，阻碍可见光LED通信的发展。 本项目旨在研究LED芯片效率Thermal Droop和Non-Thermal Droop的机理，探索开发与绿光芯片在小尺寸超高注入电流密度条件下相匹配的新一代外延结构设计与生长技术，以大幅提升LED芯片的可承受的电流密度，解决LED芯片在大电流密度下效率Droop的难题，大幅提升绿光LED的技术水平，使用更小尺寸的Micro-LED来提高传输速率与通讯品质。 （2）问题凝练 1. LED器件局部区域电流密度过大导致的效率降低和失效，研究如何有效实现均匀的电流注入，从而避免大电流注入区域首先产生Droop现象的问题。 2. 提升器件大电流密度注入条件下的载流子注入效率问题。 3. GaN材料生长的质量问题，寻求降低GaN材料缺陷密度的方案，以获得超高质量的GaN晶体材料，提高载流子复合效率。 4. 器件热产生及散热问题。通过理论分析和器件结构优化，有效降低结温，提升LED大电流密度散热能力。 5. 小尺寸Micro-LED器件的调制带宽随着尺寸减小、电流密度增大的变化规律问题，研究如何提高绿光Micro-LED的可见光通信芯片调制带宽。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 通过对Micro-LED芯片设计和外延结构的优化，改善绿光大电流下的效率Droop问题，芯片在1000 A/cm2电流注入密度下实现15% WPE效率。 2. 绿光Micro-LED在注入电流密度不小于1000 A/cm2的条件下，-3 dB带宽不低于1.5 GHz，可见光通信距离不小于10米且速率不低于50 Gbps。     • 关键技术问题 3. “信息光电子高端器件技术开发”项目指南 （1）背景与目标 随着信息技术的快速发展，InP光电子逐步向更高速率、高集成、低功耗、低成本方向发展。当前在高端InP光电子芯片和器件领域，大部分市场被国外公司Finisar、Broadcom、Lumentum、三菱、住友等所占用，高端光芯片和器件的国产化率低，仅少数几家处于送样状态。本项目针对高功率激光光源、EML高速激光光源、可调谐激光器模块等关键应用，搭建InP光电子材料外延生长、芯片微纳制程、器件开发等工艺技术平台，在上述关键芯片和器件从材料生长至器件实现自主技术的突破和引领。 随着信息容量爆发式的生长，无人驾驶、硅基光子集成、5G无线网、大容量接入网等快速发展，本项目针对上述应用场景，搭建自主InP工艺平台，开发其核心光源：人眼安全波段高功率激光光源、高速EML激光芯片、高功率窄线宽可调谐激光器。 （2）问题凝炼 1. 针对人眼安全波段高功率激光光源，研究以下问题：①高功率长腔长下载流子注入的损耗、俘获和增益机理。②MOCVD生长InP/InGaAsP材料系的内部光损耗及其降低机制。③宽波长范围内的FP模式增益抑制机制。④大注入和高输出功率下的芯片散热机理及对光芯片的长期可靠性的影响。 2. 针对超高速EML芯片，研究以下问题：①外延芯片结构的高增益带宽机制。②MOCVD生长高质量低损耗InP/AlGaInAs 应变多量子阱的机理与生长技术开发。③低损耗高可靠性的Al-Q Butt-joint对接工艺。④高速EML芯片封测的RCL匹配机制。 3. 针对微秒及亚微秒量级高速波长可调谐、高功率、窄线宽、半导体激光器，研究以下问题：①电光选模高速激光器的结构机理与实现。②InP应变补偿多量子阱的集成电光调控机制。③波长可调光器件的物理模型研究和仿真建立。④可调谐激光器的线宽、噪声、功率、响应速率等关键指标的整体控制和反馈机制。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 人眼安全波段高功率激光光源：室温控温下，连续激光输出功率³180 mW，激光波长1550±5 nm，SMSR³45 dB，相对强度噪声£-160 dB/Hz（@100 MHz~5 GHz）。 2. 超高速EML芯片：50 G速率EML芯片，实现带宽³35 GHz，调制发射功率³6 dBm，50Gbps传输眼图满足应用要求；50 G速率EML芯片，实现量产芯片所应达到的良率和可靠性指标；100 G超高速EML芯片，实现100 Gbps传输眼图满足应用要求。 3.微秒及亚微秒量级高速波长可调谐、高功率、窄线宽、半导体激光器：波长覆盖C-Band，超过6 THz（120波）；波长切换时间 <10 µs；激光出纤功率 >50 mW；激光线宽 <100 KHz；其他遵循行业规范（OIF MSA iTLA规范），满足400 Gbps至800 Gbps的相干应用。   4. “超快大功率碟片激光器”项目指南 （1）背景与目标 皮秒或飞秒量级脉冲宽度的超快激光由于其窄脉宽、高峰值功率的特性，在工业加工、基础科研以及生物医疗等领域有着越来越广泛和重要的应用，成为激光领域重要的发展方向。激光晶体材料被列入国家战略新兴产业电子专用材料制造（战略性新兴产业分类（2018），国家统计局）。传统块状固体激光器在高功率泵浦过程中，晶体存在严重的热透镜以及热畸变等热效应，极大地限制了全固态超快激光器输出功率的提高，同时降低激光的光束质量。碟片激光器具有高的散热效率，碟片晶体的径向热梯度可以忽略不计，使得碟片激光器具有很高的光束质量。另外由于碟片晶体厚度很小，非线性作用很弱，可以支持高峰值功率激光输出。此外，碟片激光器可以通过增加光斑尺寸，在保持功率密度不变的情况下进一步提高泵浦功率，具有优异的功率和能量扩展性。这些优良的特性使得碟片激光器非常适合产生高功率、高能量、高峰值功率的超快激光输出。 当前碟片激光器的多冲程泵浦、高效换热和晶体的热致形变控制与补偿等关键技术的不足，限制了高功率碟片激光器的进一步发展。本项目旨在围绕大尺寸碟片晶体的制备、散热装置的封装、再生放大和多通放大谐振腔的设计，开发具体高光束质量、高峰值功率、高单脉冲能量碟片激光器。 （2）问题凝练 1. 研究高功率碟片激光器换热的热传递机理。基于碟片激光晶体热致形变控制与补偿机制；碟片激光器在高功率泵浦下晶体的热致形变的机理。 2. 碟片增益介质与啁啾脉冲放大技术的结合机制。 3. 基于倍频晶体和双色输出镜的非线性镜锁模机制。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 锁模碟片振荡器平均功率>500 W，脉冲宽度<1 ps。 2. 超快碟片放大器平均功率>5000 W。 3. 最高脉冲能量>500 μJ。   5. “硅基片上固态扫描激光雷达”项目指南 （1）背景与目标 基于激光雷达的无人驾驶技术是汽车行业发展的主要技术路线之一。当前，既有国内外诸多高校、研究院所在激光雷达涉及的各个学科领域进行开拓性探索，也有华为、宝马等光学领先企业和汽车传统企业积极进行商业化推广与产业化扩张。片上激光雷达对注入的超连续谱激光进行波长周期性调制，再经过光栅衍射，将各个波长的光束依次偏折向对应的方向，从而实现固态扫描。硅基片上激光雷达不需要机械运动部件，包括波长调制、光栅衍射、光电探测与信号接收放大等各个功能模块，均兼容硅基工艺，具有性能稳定可靠、未来适应于规模生产的优势。 （2）问题凝练 1. 固态扫描部件的动态特性优化问题。 根据实际流片结果迭代修正，优化扫描的动态特性，最终形成严格耦合波理论设计多级级联光栅的仿真模型。 2. 微环谐振腔的最优化设计问题。 波长调制部分，建立微环谐振腔选模的激光器模型，在外腔激光器理论基础上，对微环谐振腔进行最优化设计，使得激光发射功率能够超过200 mW。 3. 研发锗硅光电平衡探测器阵列的集成技术。 4. 光路切换、功率衰减平衡等无源结构的集成问题。 5. 功能模组间的热、电干扰问题。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 探测距离：>200 m。 2. 探测精度：<10 cm。 3. 视场角：120°×40°。 4. 扫描速度：60 lines/s@10 Hz。   6. “铌酸锂薄膜光通讯调制器”项目指南 （1）背景与目标 高速电光调制器是5G核心网等长距离光纤传输的重要功能器件。工信部在今年初制定的《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023年）》将高速调制器芯片列为重点发展的光通信器件。作为一种性能优异的多功能（压电、铁电、电光、光折变等）材料，铌酸锂晶体是制作电光调制器的优选材料。目前美国Lumentum和日本Fujitsu两家公司占据全球铌酸锂电光调制器市场90%以上份额，国内的光通信企业使用的铌酸锂调制器全部依靠进口，且价格居高不下。 采用铌酸锂单晶块材制作的光电器件，体积大，难以满足微系统集成的要求。在光电器件向集成化、微型化发展的大趋势下，要实现光电器件的片上集成，迫切需要高质量的铌酸锂薄膜材料。采用传统方法生长的铌酸锂薄膜存在取向控制难，生长温度过高及锂挥发引起化学计量比偏析等技术难题,导致制备的铌酸锂薄膜择优取向度差、缺陷密度高且薄膜为多晶薄膜，性能远低于单晶块材。近年来，为满足下一代光电器件在集成化、小型化发展趋势下对高品质铌酸锂薄膜材料的迫切需求，采用离子注入技术和晶圆直接键合技术相结合的“Smart  Cut”薄膜转移制备工艺制备出绝缘体上铌酸锂单晶薄膜（LiNbO3 on insulator，LNOI）并获得了应用。 目前高质量LNOI器件的制作仍面临着薄膜刻蚀困难和难于实现硅基片上集成的关键问题。本项目旨在开展铌酸锂薄膜刻蚀机理及片上集成工艺研究，利用高品质铌酸锂薄膜实现光通讯用高速电光调制器，基于阵列式Mach-Zehnder干涉仪进行激光调制，并集成分束、衰减等子功能，达到8-16 QAM调制格式的要求，以满足400 Gbps光通讯系统应用。 （2）问题凝练 1. 硅基铌酸锂薄膜的生长、刻蚀工艺的优化与性能表征。 2. 阵列Mach-Zehnder调制器的设计与优化。 3. 芯片老化失效机理问题。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 带宽：>35 GHz@3 dB, >45 GHz@6 dB。 2. 插入损耗：10 dB@X-pol, 10 dB@Y-pol。 3. 消光比：>30 dB。 4. 回损：>30 dB。 5. PDL：<1.0 dB。   7. “二类超晶格红外探测芯片关键材料工艺技术研发”项目指南 （1）背景与目标 第二类超晶格（包括GaSb基和InAs基）焦平面红外探测器具有第三代红外探测系统所要求的高探测率、大面阵、多波段、低功耗、低成本等诸多优越性能，是新一代红外探测器系统的优选探测器。第二类超晶格材料经过40多年的研发及应用，特别是美国、欧洲和以色列等国都已经投入大量研发力量，探测器性能有了长足进步，瑞典、德国和以色列已经实现了二类超晶格焦平面红外探测器产业化。国内也开展了10多年相关研究，一些科研单位和民企也成功开发了演示器件，但是离产品化还存在距离，材料性能和器件工艺还有待改进，主要包括1) 外延生长对二类超晶格材料界面的控制和载流子寿命的影响；2) 焦平面红外探测器侧壁钝化技术还不完善，尤其是长波红外和小尺寸像元（小于30 µm），侧壁漏电问题仍未能解决。本课题旨在开展二类超晶格红外焦平面探测器的材料外延生长技术及表面钝化技术的研发，研制高性能二类超晶格红外探测器，为国内广阔的红外探测市场需求提供高质量的外延材料保障。 （2）问题凝练 1. 针对中波和长波中红外波段InAs衬底上二类超晶格探测器结构的设计。 2. 分子束外延生长参数优化及其对超晶格界面调控和载流子寿命的优化。 3. 锑束流稳定性的控制问题。 4. 长波中红外小像元侧壁暗电流产生机理及抑制技术。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 表面缺陷密度£20 cm-2。 2. 超晶格材料XRD测试结果可见至少10级卫星峰，外延峰半高宽（FWHM）/衬底半高宽£1.1。 3. 芯片盲元率£0.1%。 4. 超晶格探测器像元台面侧向电阻³200 kW×cm。 5. 77 K下长波超晶格红外探测器探测率³1×e12 cmHz1/2/W@lc=10 μm。 6. 超晶格中长双色红外探测器可实现3-5 μm及8-12 μm两个大气窗口的同时探测。   8. “高温150 K中波红外焦平面探测器关键技术”项目指南 （1）背景与目标 红外探测器是一类能在广阔的应用场景中发挥成像作用的光电器件。随着应用领域（小型化无人机、智能电网监测等）的不断扩展，市场对于红外探测器的体积和性能要求也越来越高。目前红外探测器已经发展到第三代红外焦平面阵列技术，实现非致冷或高的工作温度、双色或多色探测以及微型化是技术研发的主要目标。 二类超晶格材料特性优异，背景限温度高，通过合理地设计材料结构以获得低暗电流材料体系，研究其高温工作机制，可以实现150 K中波高温焦平面红外探测器。瑞典IRnova公司和以色列SCD公司等相继推出了150 K工作的二类超晶格焦平面探测器。国内尚无相关焦平面探测器产品报道。 本项目旨在通过对二类超晶格材料外延、器件工艺、封装、测试等关键技术工艺开展研究，完成中波高温二类超晶格红外焦平面探测器的制备并实现成像演示和产品应用。 （2）问题凝练 1. 二类超晶格探测器材料的能带工程调控，高温工作时的噪声抑制技术，探测器结构设计。 2. 二类超晶格材料高精度外延生长技术，原子的热扩散和增强扩散机理，异质界面精确控制方法，不同元素在界面处扩散抑制技术。 3. 焦平面探测器钝化问题，芯片钝化工艺与深刻蚀沟槽的相容性问题，探测器表面漏电抑制技术。 4. 高可靠性杜瓦封装技术问题。主要包括低温封装及测试、制冷及接口、空间环境适应性等。焦平面探测器组件化、实用化及工程化。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 探测器规格：640×512，像元中心距：15 μm。 2. 工作温度：³150 K。 3. 光谱范围：3～5 μm。 4. NETD£22 mK。 5. 盲元率£1%。   9. “面向高性能X射线探测成像应用的钙钛矿材料研发”项目指南 （1）背景与目标 X射线探测成像在医疗诊断、安全检查、工业无损探伤等领域具有无可替代的应用。随着健康中国战略的实施，对低剂量、高性能X射线探测成像的需求日益增长。钙钛矿是一种新型光电材料，它具有很大的X射线吸收系数和优秀的载流子输运性能。同时，钙钛矿晶体可以溶液法制备，具有制备方法简单和成本低廉的优势。近年来利用钙钛矿晶体获得高灵敏度X射线和g射线探测已经成为全球的研究热点，我国也通过国家重点科技计划将钙钛矿X射线成像作为变革性技术支持其创新研究。2018年国家重点研发计划政府间国际科技合作重点专项项目“低剂量能量分辨X射线成像”、国家自然科学基金“基于钙钛矿单晶p-i-n结的低剂量X射线成像研究”等都对该方向有所支持。 现有的钙钛矿材料存在缺陷密度较高和异质结界面晶格难以匹配等问题，使得X射线探测过程中光生载流子复合较大，且界面噪声难于抑制。高能X射线光子的吸收取决于探测材料的密度以及有效原子序数，因此通过对钙钛矿材料结构的设计，可提高它对X射线光子的阻止能和吸收截面，增大光电转换的量子效率。同时，通过对钙钛矿组分和生长工艺的优化，降低钙钛矿晶体的缺陷密度，提高其本征阻抗，抑制X射线探测暗电流。为了增强X射线影像的信息识别能力，需要在获取X射线强度信息的同时，识别X射线的光谱信息，实现钙钛矿晶体的能量带隙连续调控，是目前需要解决的关键问题。 本课题计划对高能X射线光子具有高阻止能和高光电转换效率的钙钛矿晶体材料的设计、制备、掺杂和带隙调控等问题进行研究，探索新的钙钛矿光电探测结构，有效抑制暗电流和噪声，推动钙钛矿材料在高性能X射线探测成像的应用。 （2）问题凝练 1. 钙钛矿材料结构的设计（如缺陷补偿、元素掺杂、离子迁移路径设计、表面钝化等）对光电转换量子效率的影响。 2. 钙钛矿晶体材料作为X射线光子吸收体，暗电流和噪声的有效抑制问题。 3. X射线光谱信息识别问题，通过钙钛矿晶体的能量带隙连续调控研究光生载流子运输过程以及非线性光电响应的获取。 4. 长时间空气保存或长时间辐照下钙钛矿材料的工作稳定性问题。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 钙钛矿晶体 晶体尺寸³10 cm×10 cm，本征阻抗³1×1010 W·cm，点缺陷密度£1×109 cm-3，载流子迁移率³200 cm2/(V·s)，寿命积³1×10-2 cm2/V，载流子寿命³20 ms。 2. 钙钛矿X射线成像器件 成像像素尺寸£150 μm，有效探测面积³30 cm×30 cm，最高帧频100 fps，探测灵敏度> 1×104 mC/Gyair/cm2，X射线探测器能量范围20 keV ~ 160 keV，最小探测剂量< 30 nGyair/s，噪声£10 fAHz-1/2, 暗态电流密度£2 nA/cm2, 可分辨X射线光子能量通道数³20，通道误差£10%。     电子信息基础材料与新器件领域 • 前沿基础问题： 1. “基于先进材料忆阻器的智能感知芯片系统及其应用研究”项目指南 （1）背景与目标 随着芯片制程逼近半导体材料的物理极限，摩尔定律逐渐失效。同时，大数据以及人工智能时代的到来，给基于传统CMOS的冯·诺依曼架构系统带来了难以逾越的“功耗墙”与“存储墙”问题。现有的智能感知芯片系统难以满足未来世界对海量的数据处理、超快的处理速度和超低的功耗等需求，使得人们亟需从底层来提高现有的智能感知芯片系统进行数据分析和存储的能力。忆阻器是一种新型纳米器件，阻值与流经的电荷相关且具有非易失性，凭借高密度、低延迟、非易失性、阻态连续可调、并能完美的模拟神经元突触等特性和其本征计算的物理机制为解决“功耗墙”和“存储墙”问题带来了新的希望。对忆阻器材料体系的研究对比CMOS技术还停留在起步阶段，基于先进材料忆阻器的单元器件和模拟乘加阵列将是未来人工智能任务所需的智能芯片系统的硬件核心引擎。 同时，以先进材料忆阻器为核心搭建的智能感知芯片系统是高效解决各类人工智能任务的一个重要研发方向。利用高性能探测器，如基于UWB超宽带传感器的位置感知、基于红外探测器的视觉感知和生物脑电信号等作为感应端进行数据采集，采集到的模拟信号直接传输到忆阻器处理单元进行运算和存储，无需经过数模转换器（ADC）的采样量化存储过程，极大地提高了系统效能，即集感知、存储和运算为一体构建智能感知芯片系统。 进一步，从单模态到多模态融合感知技术可以进一步综合利用不同探测器获取的信息，避免了单个探测器的感知局限性和不确定性，形成了对环境或目标更全面的感知和识别，提高了系统的外部感知能力。整个基于先进材料忆阻器的智能感知芯片系统将在各个应用方向极大提高人类社会的数据存储、分析和处理能力，在小数据样本的先进材料筛选、人工智能任务处理、物联网、生命健康监护、定位与导航、机器人系统、人机交互、故障检测、高级辅助驾驶、自动驾驶等智慧领域发挥巨大的作用。 （2）问题凝练 1. 研究利用先进材料的材料特性和半导体物理特性提高基于忆阻器的多感知融合系统性能的方法。 利用先进材料自身的材料优势和独特的半导体物理特性，从材料和物理机理上提高多感知融合和多元化处理功能的探测器件及各种先进材料的忆阻器器件，是需要亟待解决的一个问题。 2. 研究实现先进材料忆阻器多稳定阻态的物理机理。 忆阻器的多稳定阻态是一个重要的问题。在忆阻器运作过程中，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。如何增加忆阻器的多阻态稳定性是基础关键问题和智能感知芯片的核心单元，其中本质的物理机理亟待研究。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 研制不少于6种新型材料的忆阻器器件，忆阻器器件阻态稳定性不大于±5 %。 2. 基于新材料的忆阻器阵列规模达到1152 × 1152，阵列节点量化精度达到4 - 5 bits。   2. “大尺寸、高质量超宽禁带半导体单晶材料研制”项目指南 （1）背景与目标 超宽禁带半导体材料（如Ga2O3，AlN等）具有诸多优良性质，同时具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高化学和热稳定性，及高导热、抗辐射等优异性能，因此超宽禁带半导体材料是紫外/深紫外LED最佳衬底材料，也是高功率、高频电子器件理想衬底材料。此外，超宽禁带半导体材料通常是极性半导体，很多具有优良的压电性、高的声表面波传播速度和较高的机电耦合系数，是GHz级声表面波器件的优选压电材料。国家“十三五”规划将超宽禁带半导体单晶材料列入国家重点研发计划“战略性先进电子材料”，同时也被工信部列为“重点新材料首批次应用示范指导目录（2019版）”推荐材料。目前，无论是单晶的生长还是器件的制备应用都面临着诸多挑战，不过随着光电子、功率等器件的快速发展，市场对超宽禁带半导体单晶衬底有着巨大需求。 现有的超宽禁带半导体单晶衬底的生长方法有物理气相传输法、导模法、雾化CVD、氢化物气相外延法和基本元素气相外延法等。超宽禁带半导体单晶生长及其衬底制备具有更高的技术难度、更高的复杂性和更高的成本等特点。本项目旨在开发高质量、大尺寸超宽禁带半导体单晶，重点研究超宽禁带半导体材料单晶的生长理论和生长工艺，推动超宽禁带半导体单晶应用技术发展。 （2）问题凝练 1. 大尺寸同质宽禁带半导体晶体表面形貌与表面原子扩散之间的关系。 2. 氮化物半导体的掺杂和电导调控机制。 3. 异质外延机制问题，低缺陷密度，低残余应力，籽晶的晶体取向与外延生长作用机理。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 4英寸及以上超宽禁带半导体单晶衬底。获得（002）和（102）摇摆曲线半高宽≤100弧秒、位错密度≤1×105 cm-2（CL 5点检测）的4英寸及以上的高品质超宽禁带半导体单晶衬底材料。   3. “高温高稳定半导体材料液相外延生长技术”项目指南 （1）背景与目标 近年来，随着航空航天和深空探测的快速发展，多变恶劣的空间环境对电子学技术以及半导体器件提出了新的要求。其中以耐高温、耐辐照等高稳定性能尤为突出。我国在“十四五规划”中明确提出继续实施航天重大科技工程，提升航天综合实力。将重点推进行星探测、月球探测、载人航天等重大工程。高温高稳定半导体材料必将为这些重大空间探测任务提供强有力的电子新材料保障。高温高稳定半导体材料多为常压下没有液态，需要在高温高压条件下才能出现液态，有些材料甚至在达到熔点之前就发生汽化，或者发生分解反应。因此这类材料一般不能够通过常规的熔体提拉法生长获得，适用的液相外延法因为生长温度适中、近平衡态生长等优势，成为制备高质量高温高稳定半导体材料的关键技术。制备大尺寸高温高稳定半导体材料主要以自发成核及同质液相外延生长技术为主。在电子信息领域，高温高稳定半导体材料要求电阻率低，而器件向高温工作、耐辐照、小型化方向发展。高温高稳定半导体材料中的缺陷控制是制约其能谱测控特性的关键因素。 本项目旨在开发高质量的高温高稳定半导体单晶材料，推动其在航天及深空探测领域的应用。 （2）问题凝练 1. 高质量高温高稳定半导体衬底材料液相外延中助融剂对外延影响的研究与优化。 大尺寸、高质量高温高稳定半导体衬底材料常采用助溶剂辅助的液相外延生长技术，助溶剂一方面可以降低生长温度，另一方面可以有效地提高该半导体材料在溶液中的溶解度，从而提高生长速度。因此助溶剂的配比是液相外延生长该高温半导体材料的一个核心问题。助溶剂的组成成分以及各成分的占比，对生长晶体的质量起着至关重要的影响，如溶解能力，固液界面张力，饱和蒸气压等。 2. 掺杂元素在结晶中的分凝行为研究。 改变助溶剂中掺杂元素的比例，研究杂质的分凝系数，研究掺杂浓度对于载流子浓度和载流子迁移率的影响，指导掺杂浓度的调控。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 高温高稳定半导体衬底材料 液相外延生长制备4英寸高温高稳定半导体单晶衬底，位错密度低至1000 cm-2。 2. 可控掺杂 n及p型掺杂浓度达到1020 cm-3。   • 关键技术问题 4. “中子探测器材料与器件研究”项目指南 （1）背景与目标 中子探测器是通过中子与原子核的相互作用结果探测中子的器件。根据不同的测试原理，中子探测的方法可主要分为核反冲法、核反应法、核裂变法及活化法四种。基于中子固有的物性（不带电、具有磁矩等），中子探测器已经被广泛应用于材料探伤、中子成像、核医学、核安全监测以及环境辐射检测等领域。目前，常用的中子探测器包括气体电离探测器、闪烁体探测器、半导体探测器等。其中，半导体探测器在最近的几十年里发展得尤为迅速，具有探测效率高、结构简单、体积小、能量分辨率高等优越的性能，推动粒子物理学等相关学科前沿方向和核工业的发展。2021年国家重点研发计划将“新型空间高能辐射探测的重要科学问题研究”列入重点专项，大力支持辐射探测产业的发展。 半导体探测器通常易受到辐射损伤，引起严重的性能退化，大大缩短中子探测器的寿命且须在低温下使用或保存，所以半导体探测器带有冷却装置，亟需开发出新型的中子探测器，以满足强辐射环境下的中子监测。探测器材料的开发是决定探测器性能的关键因素，优化半导体探测材料改善中子探测器结构是未来的重要方向之一。目前，国内外均在开展对探测材料和器件结构的研制工作，以期降低 γ 射线灵敏度，提升中子探测的灵敏度和实现半导体中子探测器结构微型化，满足便于携带和高探测效率的应用。 本项目旨在研究中子探测器的半导体材料和器件结构设计，保障我国在空间物理学以及核电等领域中中子探测技术的可控发展。 （2）问题凝练 1. 中子探测用半导体材料制备和物性探索（漏电性、中子反应截面和辐照效应等）。 2. 半导体中子探测器的结构设计与优化，探索探测效率提升机制。 3. 半导体中子探测器可靠性（辐照损伤等）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. 标准试验条件（12000 s-1（1±0.2）252Cf热中子源）下，热中子探测效率≥10%。 2. 在200 keV设定能量阈值（lower level discriminator，LLD）条件下，γ 射线灵敏度<10-6。   5. “MOCVD前驱体替代材料TBAs（P）的研究与开发”项目指南 （1）背景与目标 化合物半导体MOCVD生长通常需要高纯度的MO和高纯气态源，这些是现代化合物半导体产业的支撑源材料，是生产高亮度、超高亮度发光材料及大规模集成电路的必备原料。同时，在高迁移率晶体管、半导体激光器、太阳能电池、红外探测技术等的研制中具有十分重要的作用。 MOCVD所需要的源种类繁多，在化合物半导体材料研发和生产中，除了Ⅱ、Ⅲ族的MO金属有机化合物（如TMGa、DMCd等）源外，目前MOCVD工艺使用的高纯基础材料主要还是Ⅴ、Ⅵ族元素的氢化物（如NH3、PH3、AsH3等）。这些材料一般毒性很高，给MOCVD研究生产带来诸多环境上的限制。叔丁基胂、膦（TBAs，TBP）是低蒸气压、毒性较小的液体，被广泛接受作为砷烷等的安全替代前驱体。2018年国家统计局发布的《国家战略新兴产业分类》中“专用化学品及材料制造”，是新兴产业中的重点产品。目前，我们国家还不能生产高纯度的TBAs、TBP。 MOCVD源的制备包括合成、纯化、分析和灌装环节，合成环节国际通用方法为卤化物法，该方法原料具有腐蚀性，合成价格较高，副产物较多，且副产物存在危险性，因此开发能有效解决MOCVD源污染严重问题的替代原材料是广泛关注的方向。叔丁基胂（TBAs）因其在室温下为液体且热解温度低于砷烷而安全性更高，因此寻找新型的转化率高、安全可靠、纯度高的叔丁基胂（膦）制备方法及提纯工艺是研究的主要方向之一。 本课题旨在开发砷烷、磷烷等气体的安全前驱体替代物，减小环境污染，推动未来MOCVD应用的增长。 （2）问题凝练 1. 叔丁基胂、叔丁基膦（TBAs、TBP）制备方法。 提高反应物的转化效率，开发提高中间产物纯度以及产率的制备方法，为后续的粗产物提纯降低难度，降低成本。 2. 叔丁基胂、叔丁基膦（TBAs、TBP）提纯路线。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 叔丁基胂（TBAs）纯度≥5.5N。 2. 叔丁基膦（TBP）纯度≥5.5N。 3. 总金属杂质<0.0005%。 4.经过MOCVD材料外延工艺验证，外延GaAs层电子迁移率>5000 cm2/(V·s)。   6. “面向光伏和大功率器件应用的低温烧结银浆及银胶”项目指南 （1）背景与目标 在电子元器件制备工艺中，为实现良好的电接触及电学连接，通常采用导电浆料（胶）实现以上功能，其中以导电银浆（胶）的应用最为广泛。导电银浆主要成分一般包括银粉、粘结剂、溶剂、助剂等，根据银导电通路形成原理不同，银浆可分为干燥/固化型和烧结型两大类，其中烧结型银浆因其优异的导电性、力学性能及可靠性，广泛应用于集成电路封装、半导体分立器件、太阳能电池等领域。低温烧结型银浆（胶）是一种新型的高端电子浆料，在较低的温度下烧结可以降低制备过程对器件的破坏、提高与其他材料及器件的兼容性，还可以降低能耗及制造成本。国外在低温烧结银浆方面研究及产业化较早，在可低温烧结微纳银粉合成、包覆剂与防团聚、高性能树脂及助剂等方面形成了技术优势，我国在低温烧结银浆（胶）产品上严重受制于日本、美国等国家。 本项目旨在开发一系列可低温烧结的银粉，进而开发可低温烧结的银浆和银胶，应用于低温异质结太阳能电池及大功率半导体器件，以解决我国在高端低温烧结银浆（胶）方面受制于人的局面。 （2）问题凝练 1. 研究微纳银粉制备方法及影响粒径、形状的稳定控制的因素。 2. 银粉表面包覆机理研究，开发新型包覆剂提高分散性及烧结后的导电性。 3. 低温烧结过程研究：银粉烧结驱动力及动力学，孔洞缺陷控制及界面微观结构调控，浆料组分、烧结工艺、微观结构与性能之间的关系。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 异质结电池低温银浆 烧结温度低于200 ℃；可形成≤30 μm的线路；烧结后电阻率≤4×10-6 Ω·cm；与TCO的结合力优异，焊接拉力≥2 N/mm；可以耐受200-350 ℃钎焊温度冲击。 2. 大功率器件低温烧结银膏 可低温无压烧结，烧结温度175-230 ℃；导热系数≥200 W/m·K；热膨胀系数≤20 ppm；动态拉伸模量≥20 GPa（25 ℃）；剪切强度≥30 MPa（25℃，Ag/Cu等基底）。 3. 大功率器件低温半烧结银胶 可在空气或氮气环境下固化，固化温度175-230 ℃；导热系数≥100 W/m·K；热膨胀系数≤25 ppm（Tg以下）；热膨胀系数≤120 ppm（Tg以上）；动态拉伸模量≥12.5 GPa（25 ℃）；剪切强度≥12.5 MPa（260 ℃，Ag/Cu等基底）。     电子信息装备领域 • 关键技术问题 1. “宽频带取样示波器”项目指南 （1）背景与目标 随着通信流量的高速增长，通信网络中待传输的数据量急剧增加，对数据传输速率提出了更高的要求。满足更快、更多的数据传输，通信速率的升级势不可挡。当前通信接口速率已经步入56Gbaud+的时代，与此相关的Serdes/ASIC半导体核心材料、芯片、器件、模块已经迎来了爆发性增长。宽带取样示波器可以更深入地了解发射机的信号特性，帮助快速发现需要进一步改进的设计部分，长期以来一直作为评估高速接口发射信号质量最重要的测试工具。越高的速率，符号周期就越短，信号上升/下降边沿就越陡，对测试这些高速信号质量的示波器带宽要求更高（>50 GHz），同时对仪表的固有抖动要求越小(<200 fs)。大容量通信产业升级中核心集成芯片、器件、模块和设备的研制，高速背板信号完整性测试，以及超高精度计量、片上信号处理、高精度时间同步等前沿研究，都需要高性能示波器来进行精准的测量和验证。目前，国际最高水平的取样示波器已做到85 GHz的带宽，而国内仅为5 GHz，且其中最核心的芯片，如采样保持放大器芯片多为国外仪表厂商自研。自主可控的高端测试仪表对于芯片测试至关重要，也将对未来超高速信号测试等前沿领域中发现新现象、揭示新规律、验证新原理、获取新数据产生深刻影响。 本项目旨在针对5G移动通信、光纤通信设备和高速网络设备的宽带模拟电路和高速数字电路开发与检测需求，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的宽频带取样示波器，摆脱对国外高端取样示波器的严重依赖。 （2）问题凝练 1. 基于SiGe与InP材料的超宽频带采样保持芯片设计与实现工艺。 2. 超宽频带信号取样及信号处理理论与技术。 3. 超低抖动时钟源的构建技术和方法。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 电采样模块： 通道数量2；测试带宽≥50 GHz；采样率≥150 kSa/s；采样分辨率16 bit。 2. 光采样模块： 波长范围1250 nm～1600 nm；光接收灵敏度优于-7 dBm；测试带宽≥50 GHz；采样率≥150 kSa/s；采样分辨率16 bit。 2. “面向量子计算的极低温制冷关键技术”项目指南 （1）背景与目标 量子计算是有望实现算力数量级突破的颠覆性科技，是当前世界各国科技竞争的主战场。我国“十四五”规划纲要中明确提出，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；加快布局量子计算、量子通信等前沿技术。量子计算电路对环境热噪声非常敏感，只有在稳定的极低温环境下，量子计算机才能稳定运行。稀释制冷机为量子计算机的正常运行提供必要的极低温环境，是量子计算研究中不可替代的关键设备。当前，稀释制冷成熟产品被美国、英国、芬兰等西方国家垄断，占据了几乎全部市场份额；而我国对稀释制冷技术的研究发展起步较晚、成熟度较低，近年来少数科研院所刚刚实现稀释制冷技术验证，这样不平衡的发展趋势给我国在量子计算领域的长远稳定发展埋下隐患。此外，随着量子计算技术的发展，量子比特规模数量逐年增加，对稀释制冷系统的制冷功率、温度稳定性、制冷空间大小、信号接口数量都提出了更高的要求。 本项目旨在推动面向量子计算的极低温制冷系统关键技术研发，更好满足量子计算对极低温环境的新需求，保障我国极低温领域技术安全，进一步推动我国量子科技的发展。 （2）问题凝练 1. 稀释制冷核心组件研制，实现混合室、蒸馏室、换热器等关键部件的全国产化制造。 2. 制冷系统结构优化，面向量子计算使用需求实现高温度稳定性、抗电磁干扰的极低温环境。 3. 快速升降温功能研发，提高量子计算基础与应用研究效率。 4. 全自动3He气路循环控制系统研制，提高系统可靠性的同时降低操作与维护难度。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 稀释制冷系统本底温度≤10 mK。 2. 稀释制冷系统制冷功率 ≥300 μW（在100 mK时）。 3. 温度波动≤1 mK（本底温度时）。 4. 降温时间≤16小时（从室温到本底温度）。 5. 3He用量≤15 L。 6. 量子计算信号线路数量≥50（同轴电缆）。   3. “高稳定性超硬半导体材料离子注入设备”项目指南 （1）背景与目标 离子注入机是芯片制造的核心装备之一，是执行掺杂工艺的芯片制造设备。硅器件难以在高温条件下运行，因此在寻求高温工作器件的同时，研制高频、大功率、抗辐射能力强的半导体器件成为微电子领域的研究热点之一。由于碳化硅、氧化镓、金刚石等材料具有硬度高等特性，需要一些特殊的生产设备，如高温离子注入机、碳膜溅射仪等，其中是否具备高温离子注入机是衡量生产线的一个重要标准。2019年国务院、发改委和工信部等先后出台政策支持半导体产业发展，“十四五”规划中也提出要大力支持半导体产业发展。 本征半导体的导电性能很差，当半导体材料中加入少量杂质后（即掺杂过程），其结构和电导率发生显著变化，使其得以发挥各类器件所需的功能。掺杂过程一般采用离子注入的方式。碳化硅等超硬材料需在高温下进行离子注入，这样有利于在获得较高电离率的同时修复晶格损伤。目前离子注入在化合物半导体中主要用于掺杂和器件隔离。金刚石、碳化硅等超硬材料国际上发展迅速，但普遍存在工艺技术水平较低，制约功率器件发展的问题，特别是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺等尚不理想，我国在此方面还存在研发时间短、技术储备不足、研发单位少等问题，高温离子注入设备基本被国外公司垄断，国内大规模建设工艺线所采用的关键设备基本需要进口。因此优化离子注入工艺是目前超硬半导体功率器件实现产业化的关键技术之一，开发高稳定性超硬材料高温离子注入机是半导体器件关键装备研发的重要方向之一。 本项目旨在研制出适用于超硬材料及器件制造的高温高能离子注入机，保障我国电力电子器件产业“材料—装备—器件”自主可控发展。 （2）问题凝练 1. 开发超硬材料高温高能离子注入机。 超硬材料要实现深层掺杂，需要高能离子注入，而高能量的离子注入会在注入区域的材料表面和内部都造成损伤，为了解决离子注入的激活问题并减少因注入造成的损伤，需要在高温条件下进行注入。 2. 研制出高温离子注入机并进行研究开发验证。 3. 研究注入工艺。 注入产生的缺陷会降低载流子的寿命，影响器件特性，寻求高激活率和较少缺陷是离子注入工艺追求的目标。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 注入元素：Al、N、B、P、F。 2. 能量注入：10 keV-1.2 MeV。 3. 注入加热温度：>700 ℃。 4. 均匀性及重复性：<1.0%。   4. “半导体激光退火设备”项目指南 （1）背景与目标 集成电路制作中很多工艺步骤需要通过退火技术来实现，随着芯片技术的推动，其对退火性能的需求也在不断地升级。近年来，随着超大规模集成电路制造技术、新型薄膜晶体管显示技术和大面积OLED显示技术的日益成熟和规模化，激光退火技术逐渐取代传统的炉管退火、快速热退火、尖峰退火和快闪退火，成为新一代主流退火技术。激光退火，可在实现较小的热预算的同时实现很高的峰值温度，从而可很好地控制源漏极的扩散深度；温度控制均匀性方面激光可通过光学原理实现很好的温度控制均匀性。随着器件尺寸不断缩小，更加精确的温度控制与更高热预算特性的激光退火技术将在先进逻辑器件中具有广阔的应用前景。“32 nm集成电路超浅结激光退火设备原理机”被列为国家02重大专项子项目。目前，在平板显示领域，Japan Steel Works公司开发了准分子激光退火系统。在集成电路领域，激光退火在电极退火、内部连接和3D结构退火方面有着广阔的市场应用。另外，激光退火目前已大量应用于碳化硅减薄后的背面欧姆接触烧结工艺，在未来的诸如半导体器件源极欧姆接触工艺中，凭借激光退火的局部温度控制能力，可以使N型和P型源极区同时使用不同的欧姆接触退火温度，达到各自最佳烧结效果，从而提升器件的整体性能。在其他器件结构中，利用激光退火的温度分区控制能力，使肖特基接触和欧姆接触同时进行退火处理，减少制造工序。国外领先的激光退火设备的元素（B）掺杂浓度达到了1×e19 cm-3的量级。本项目旨在研发精细激光退火设备，减少退火时间，并能达到更高温度的激光退火技术，可以更好地控制热预算和提高材料的性能。 （2）问题凝练 1. 功率器件中的金属半导体接触研究。器件中源极欧姆接触中，使N型和P型源极区同时使用不同的欧姆接触退火温度研究；使肖特基接触和欧姆接触同时进行退火处理研究。 2. 激光与材料相互作用原理，强激光作用下价带电子被光致电离和碰撞电离等激发到导带，研究热模型、等离子体模型等，实现热模型解释。 3. 热效应分析及材料性能分析，包括离子激活、可控离子扩散、结晶质量、缺陷修复等。 4. 飞秒激光退火的机理问题。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 欧姆接触电阻<10-6 Ω·cm2。 2. 脉宽：ps~fs；峰值温度>5000 ℃；温度控制±10 ℃；结深控制：<20 nm；加热速度>1016 K/s；被照射区域温度梯度>1011 K/m；小热预算；支持局部及温度分区控制能力。     功率与微波领域 • 前沿基础问题 1. “高压大功率电力电子器件可靠性及失效模型”项目指南 （1）背景与目标 电力电子器件是应用电力电子技术的重要载体，在电能变换的场合广泛应用。随着我国新能源汽车行业的不断发展，对于硅基分立功率器件、功率模块及宽禁带半导体等器件的需求也在不断增长，同时也存在一些科学问题，如新材料氧化镓等电力电子器件亟需解决沟道外延材料质量差、界面态密度高、欧姆接触电阻大、器件功率指数低等核心科学问题。电力电子器件在工作过程中存在不同的可靠性问题，这种问题的出现会导致整个电力电子系统的失效，目前高压直流输电、电力机车等行业都对高压大功率器件可靠性提出了需求。2021年国家重点研发计划“新型显示与战略型电子材料与器件”重大专项专题中提到“攻克高可靠栅极氧化、低损伤离子注入等关键器件工艺，开发低比导通电阻、高可靠的SiC MOSFET/二极管集成功率芯片”，“开发高频、高功率密度、高散热性能、高可靠性SiC功率模块”，可见高功率器件及模块的研发和产业化是近年来国家的重点支持领域。 高压大功率电力电子器件针对不同应用场景和运行工况，如电力电子变压器、风电变流器、电动车驱动装置等，其可靠性的分析和评估至关重要。通过对器件的物理失效机理分析，可以获得不同关键器件的不同失效模式，建立多物理场耦合下的可靠性研究理论基础，更为准确地针对具体器件、系统、物理场以及不同时间尺度展开可靠性与寿命的量化评估。例如在新能源汽车领域，研究开发新一代高功率密度车载功率半导体芯片，建立器件物理模型，找到失效机理，降低模块失效几率，预测器件寿命，解决应用于新能源汽车的高温高功率密度的功率半导体关键技术问题是目前的重要研究方向。提升不同工况条件下大功率电力电子器件的可靠性及失效模型是需要解决的重要问题。 探究大功率电力电子器件的可靠性及失效机理是半导体领域的研究热点之一。本项目旨在研究不同工作条件下大功率电力电子器件的可靠性及失效模型，开发高温条件下工作的电力电子器件，推动半导体功率器件的进一步发展。 （2）问题凝练 1. 电子元器件的质量是保证电子设备使用性能的关键，分析电子器件的失效机理，建立针对性的IGBT、MOSFET等高压大功率器件模型，作为可靠性试验的理论分析基础。 2. 提取关键参数，优化模型参数，模拟器件的可靠性问题和失效行为。 3. 根据模型，提出优化器件参数和工艺的建议，比如栅极氧化层厚度，栅极稳定性。 4. 根据电力电子器件的失效原理，失效模型可分为应力强度型、性能衰减型和寿命模型三种，不同模型对应不同的失效判定依据，围绕失效模型研究可靠性试验方法。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 建立高压大功率半导体功率器件功率循环寿命模型：建立一个至少包含三个参数（芯片温度差 ΔTj，芯片最高温度 Tjmax，测试电流导通时间ton）的功率器件的功率循环测试寿命模型，老化寿命模型的预测误差小于15%。  2. 建立多工况测试环境下器件可靠性寿命模型，在明确失效机理情况下，预测功率器件的使用寿命，误差小于15%。  3. 建立高压大功率半导体功率器件可靠性加速测试模型：改变相关可靠性测试的测试条件，使测试时间缩短至三分之一，而失效机理不变。    2. “毫米波功率放大器研究”项目指南 （1）背景与目标 国家“十四五”规划明确提出要加快5G网络规模化部署，前瞻布局6G网络技术储备。工信部于今年初制定《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023年）》，重点支持电子元器件领域关键短板产品及技术攻关。微波射频功率放大器具有工作频率高、功率密度高、效率高的优势，是5G通信基站的关键器件。目前，微波功率放大器在5G低频段（sub-6 GHz）通信基础设施中得到越来越广泛的应用。毫米波波段提供了更大的通信带宽，在5G高频段和卫星通信领域将发挥巨大的作用。预期满足毫米波通信基站需求的功率放大器将具有广阔的应用前景和市场空间。 在毫米波波段，功率放大器面临功率损失、晶体管的工艺限制、对元器件参数冗余度的敏感性等诸多难题。在毫米波波段的功率密度、增益、效率和线性度是衡量毫米波功率放大器的主要指标。本项目旨在开发适用于5G高频段的具有高功率密度、高增益和高效率的功率放大器，以满足5G通信基站基础设施建设的需求。 （2）问题凝练 面向5G通信毫米波波段功率放大器的设计： 1. 毫米波功率放大器的关键工艺开发 1）对毫米波波段功率放大器结构、外延及工艺的优化。 2）栅极工艺，小线宽T型栅工艺优化和开发。 3）低射频功率器件的结构优化。 4）基于二次生长的低欧姆接触电阻技术。 5）毫米波器件线性度原理研究。 6）毫米波器件噪声特性原理研究。 2. 器件模型研究 高频电路模型及高频电磁仿真模型。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： Ka波段，围绕30 GHz的毫米波功率放大器管芯满足： 1. 功率密度大于4 W/mm。 2. 增益大于10 dB。 3. 效率大于40%。     • 关键技术问题 3. “大功率射频器件的散热材料与工艺问题研究”项目指南 （1）背景与目标 射频技术是无线通信的关键支撑技术，大功率、高频率、高电压、耐高温的射频电子器件是射频前端的核心器件，在5G基站、雷达、航空航天等一系列场景具有重要应用。目前，器件功率密度的提高主要受限于器件本身的散热特性，成为射频技术发展与器件可靠性继续提升的主要瓶颈。虽然当下主流的碳化硅衬底已经具有出色的热导率（~350 W/m·K），但随着器件功率密度的不断提高，衬底材料的导热能力已经成为这类器件实现全部性能潜力的主要制约因素，对于新型散热材料、散热技术的研究迫在眉睫。金刚石具有~2000 W/m·K的热导率，是世界上目前已知的热导率最高的材料，也是射频器件衬底材料的理想选择。通过高导热的金刚石材料与外延材料的集成，有望大幅改善器件近端散热，进而大幅提高器件的功率密度。  本项目旨在利用金刚石衬底材料的高导热特性，研究热界面问题，解决制约射频器件功率密度提高的散热问题，为射频器件未来在通信领域更广泛的应用奠定技术基础。 （2）问题凝练 1. 高质量、低界面热阻的金刚石-外延层界面介质层材料 目前实现金刚石基外延材料的主要技术路径为金刚石MPCVD生长和金刚石衬底晶圆键合，这两条主要路线都需要在金刚石和外延层中先制备一层介质层材料作为缓冲。此介质层界面热阻（TBReff）是整个界面热阻的最大组成部分，界面热阻会显著影响整个器件的热阻，必须将其最小化。 2. 金刚石材料纳米级抛光及大尺寸键合技术 实现大尺寸高质量键合的关键之一是两种材料的键合表面必须达到原子级的平整度，金刚石的精抛光工艺，尤其是大尺寸金刚石的精抛光工艺一直是限制键合技术发展的主要瓶颈，需突破纳米级抛光技术。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 高质量、低界面热阻的金刚石-外延层界面介质层材料 介质层总厚度≤10 nm，界面热阻≤10 m2K/GW。 2. 金刚石材料纳米级抛光技术 抛光晶圆≥4英寸，抛光后金刚石表面5微米×5微米 rms ≤ 1 nm。 3. 射频器件用大尺寸金刚石基外延材料 晶圆尺寸≥4英寸，金刚石厚度≥10 nm，热导率≥1000 W/m·K，外延材料厚度≥1 μm，厚度非均匀性≤2%。 4. 金刚石基HEMT器件 功率密度>40 W/mm（@4GHz）, 最高功率密度下器件温度小于200 ℃。       显示与成像领域 • 前沿基础问题： 1. “超薄宽波段相位补偿膜关键材料与技术”项目指南 （1）背景与目标 相位补偿膜广泛应用于显示、光通信、精密光学等领域，具有高技术门槛、高经济附加值的特点，是国家核心支撑产业和战略布局领域。为了满足下一代光电子器件超薄、折叠、弯折的发展需求，拓展和推进光学功能薄膜在新型信息产业，例如裸眼3D显示、AR/VR显示、激光雷达等领域的应用，超薄宽波段相位补偿膜材料、技术、工艺及产品的开发成为了当前产业界的热点和难点。国际上默克、巴斯夫、大日本油墨等企业正积极研发和布局涂布型液晶聚合物相位补偿膜，相关研究表明该产品具有双折射率大、厚度小（小于5 μm）、透过率高等优势。并且通过多层液晶扭曲排列技术或者特殊负折射液晶聚合物材料，能够有效拓宽相位补偿膜的工作波段。 产业界对于超薄宽波段相位补偿膜有重大的需求，传统相位补偿膜通过延伸a-PO、PC、COP、PMMA等材料获得，存在厚度大（大于50 μm）、工作波段窄、光损耗强等不足。本项目旨在围绕液晶聚合物的制备方法、光响应形变、分子结构和热行为的研究，开发新型液晶聚合物功能材料和超薄补偿膜。 （2）问题凝炼 1. 负色散液晶聚合物单体的合成机制。液晶分子的刚性基团、柔性支链、极性基团以及空间构型对负色散性能的影响机制，液晶聚合物单体双折射率、溶解度、液晶态温域和负色散性能的平衡与相互制约关系。 2. 多种负色散液晶聚合物材料的混配动力学过程，具有理想色散曲线的多种负色散材料和标准色散材料的混配路线问题，混合负色散液晶聚合物涂料的工作温度、粘度、UV聚合效率、稳定性等影响机制。 3. 多层液晶分子扭曲排列构型与宽波段液晶补偿膜特性的映射关系。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 负色散液晶聚合物单体：负色散率(Δn(450)/Δn(550)<0.8)，双折射率Δn>0.05。 2. 负色散液晶聚合物涂料：液晶涂料固含量>30%，负色散率<0.8，双折射率>0.05，紫外固化时间<180 s，液晶温度区间位于20 ℃-80 ℃。 3. 超薄宽波段1/4波长相位补偿膜：在450 nm-650 nm均满足1/4波长相位差，光学透过率>90%，厚度小于10 μm。   2. “面向AR/VR的3D显示技术与高性能感光材料研究”项目指南 （1）背景目标 我国“十四五”规划纲要提出要“加快数字化发展，建设数字中国”，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)被列为数字经济重点产业。科技部 “十四五”重点专项“信息光子技术”中明确“临场真实感近眼三维显示技术与装置”是关键核心类技术。AR/VR将光学显示技术与摄像头、激光雷达等传感器获取的三维模型数据相结合，将数字世界叠加到现实世界，实现虚拟影像和真实世界的3D融合，其在工业制造、教育、医疗等领域具有广泛应用，对推动社会经济发展有着重要意义。光学材料和光学器件制造技术是AR/VR光学显示系统的核心之一，很大程度上决定了AR/VR显示系统的核心性能，包括视场角、出瞳、色彩、多深度显示以及轻便性等。现有的AR/VR光学显示系统无法同时满足大视场角、大出瞳、高色彩还原和轻便性。全息波导基于全息衍射原理，利用高自由度的光场干涉曝光来制造微纳结构并传递虚拟影像，其轻薄、高自由度的特点对AR/VR显示系统的开发极具优势，其发展为AR/VR带来光学显示技术的革新。全息波导技术的主要技术瓶颈在于高性能的光刻胶薄膜材料和先进的波导器件制造技术。目前， Facebook、Apple、Microsoft等国际科技巨头公司都在大力发展基于全息波导技术路线的AR/VR光学系统。 本项目旨在研究高性能全息感光光学薄膜材料，设计并制造基于高性能感光光学薄膜材料的光学器件，进而构建完整的AR/VR全息显示系统。 （2）问题凝练 1.光刻胶薄膜材料的性能优化 光刻胶薄膜作为全息波导的核心材料，其主要参数包括折射率调制度、感光度、稳定性和透明度等，这些参数直接影响全息光学元件的衍射性能，进而决定了全息波导器件在视场角、出瞳、色彩、多深度显示等指标方面的上限。 2.复杂全息光学元件的制造技术 干涉光场波前的复杂度决定了全息光学元件内部干涉条纹的自由度，进而决定了全息光学元件的功能多样性。因此，根据全息波导器件的视场角、出瞳和多深度等指标要求，需要解决复杂干涉光场的动态生成技术，进而解决多功能性的复杂全息光学元件的制造技术。 3.大面积的多深度全息波导显示技术 大面积全息光学元件制造、辐辏-聚焦矛盾是全息波导显示系统长期存在问题。扩展全息光学元件面积和多深度的全息波导显示可以进一步提高显示的出瞳尺寸，缓解辐辏-聚焦矛盾，提升用户佩戴的3D临场感。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 光刻胶薄膜材料： 分辨率≥5000 lp/mm；折射率≥1.6；折射率调制度≥0.04；感光灵敏度1~5  mJ/cm2，最佳感光波长位于450±20 nm, 532±20 nm及632±20 nm。 稳定性：高温95℃，低温-50℃，耐紫外线指数>10。 透明度：≥80%。 衍射效率：≥80%。 2. 体全息波导显示器件： 视场角≥60°，出瞳≥15 mm×10 mm，深度显示平面≥2个。 视场角≥15°，全息波导面积≥200×300 mm2。     MEMS与传感器领域 • 关键技术问题 1. “基于异质外延生长的高质量InSb薄膜研究”项目指南 （1）背景与目标 国家“十四五”规划明确提出要加快5G及物联网传感终端的规模化部署。工信部于今年初制定《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023年）》，重点支持传感元器件领域关键短板产品及技术攻关。传感器产业十分庞大，上到航天航空、高铁汽车，下到消费级电子产品，包括手机、玩具、家电等，各种智能设备里都有传感器的身影。传感器产业非常细分，不同应用的测试参数、性能指标等方面的要求都不一样。在现代控制系统中，传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置，是信息输入的“窗口”，是万物互联的眼睛，是数据信息获取的唯一功能器件，传感器直接影响和决定系统的性能优劣。 作为磁传感器的典型代表，采用蒸镀方法制备成膜的InSb霍尔及磁阻元件已广泛应用于工业、汽车及消费电子，但其材料电子迁移率有很大提升空间（~30000 cm2/(V·s)），且随温度变化较大，远小于InSb单晶载流子电子迁移率。但另一方面，由于InSb单晶衬底一般为导电衬底，不适合直接制备薄膜器件。本项目研究InSb的异质外延生长，并通过材料掺杂及缺陷补偿、量子阱补偿、衬底异质转移等方式，使InSb薄膜达到InSb单晶载流子高迁移率输运性能，且同时满足低温漂、宽线性范围等优异特性。 （2）问题凝练 围绕InSb薄膜的载流子输运特性及相关磁传感器件，开展如下研究： 1. InSb薄膜材料的制备及研究。 1）MOCVD材料同质及异质外延生长。 2）外延材料缓冲层的结构设计及优化。 3）薄膜材料掺杂及缺陷的温度补偿优化。 4）薄膜材料的超低欧姆接触电阻技术。 5）量子阱薄膜载流子输运特性研究。 6）类InSb三元化合物半导体能带结构设计及载流子输运研究。 7）薄膜材料的选择性外延生长及异质集成。 8）薄膜材料的噪声特性原理研究。 2. InSb薄膜磁传感器件的制备及研究。 1）全温区霍尔磁传感器件灵敏度研究及优化。 2）霍尔磁传感器件线性度原理研究及优化。 3）磁传感器件噪声特性原理研究及优化。 4）磁传感器件补偿技术研究及温度系数优化。 （3）参考指标 通过本项目的实施，最终达到以下参考指标： 1. 电子迁移率 达到理想InSb单晶体的电子迁移率，低温下不低于75000 cm2/(V·s)，常温不低于60000 cm2/(V·s)。 2. 薄膜厚度 在10 nm-100,000 nm范围内可精准控制，误差不超过5 nm或1%。 3. 表面缺陷密度EPD 达到100-1000 cm-2，达到InSb单晶衬底水平。 4. 电子迁移率温度系数 [-40℃，-125℃]范围内，温度系数不超过0.2 %/℃。