近日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院徐楊教授、俞濱教授、西湖大學(xué)文燎勇研究員合作團隊，提出了一款廣角寬光譜復(fù)眼CMOS芯片。該工作以題為“First Demonstration of 2.5D Out-of-Plane-Based Hybrid Stacked Super-Bionic Compound Eye CMOS Chip with Broadband (300-1600 nm) and Wide-Angle (170°) Photodetection”發(fā)表在IEDM。

浙江大學(xué)集成電路學(xué)院博士生謝云斐、汪曉晨，西湖大學(xué)博士生賀靖為共同第一作者。這項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目、浙江大學(xué)集成電路學(xué)院流片計劃、西湖大學(xué)光電研究院的支持。

寬光譜和大視角探測技術(shù)在光通信、遙感和國防監(jiān)控等領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用，尤其是在1550 nm紅外波段。目前基于非硅材料的寬光譜探測器成本高昂，而依賴曲面或球形結(jié)構(gòu)的廣角設(shè)計難以與CMOS技術(shù)集成，限制了規(guī)模應(yīng)用。昆蟲復(fù)眼具有寬視野和卓越的光感知能力，為突破這些技術(shù)瓶頸提供了仿生學(xué)啟示。

圖 以仿生2.5D-BIC平面代替曲面或半球使芯片擁有了寬光譜廣角探測的能力

受昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，浙江大學(xué)與西湖大學(xué)團隊聯(lián)合推出同時具備寬光譜(300-1600 nm)和廣角(170°)探測功能的超仿生復(fù)眼CMOS混合堆疊芯片。通過TSV(硅通孔)與堆疊鍵合技術(shù)，該芯片在CMOS架構(gòu)中引入2.5D面外微結(jié)構(gòu)與BIC(連續(xù)域束縛態(tài))效應(yīng)，結(jié)合復(fù)眼仿生設(shè)計，增強了紫外-可見-近紅外波段的探測能力。芯片采用后道加工的CMOS平面代替?zhèn)鹘y(tǒng)大尺寸曲面結(jié)構(gòu)，賦予芯片廣角探測能力，兼具廣角性與平面設(shè)計的集成便利性。這項工作同時突破了傳統(tǒng)硅基CMOS芯片的光譜極限與角度瓶頸。該芯片采用結(jié)合AAO模板結(jié)構(gòu)的晶圓級半導(dǎo)體工藝制備，集成0.18 μm CMOS電路與單原子層石墨烯，實現(xiàn)了高兼容性。本研究將CMOS技術(shù)、仿生設(shè)計與量子光學(xué)原理融合，為高性能光探測領(lǐng)域提供了一種解決方案。該成果發(fā)表于IEDM (2024, 41.4.1-41.4.4)，并被Nature Electronics期刊在Research Highlight專欄亮點報導(dǎo) (2024, 7, 1067) (DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01324-8)。