硅芯片是當(dāng)代信息技術(shù)的核心，當(dāng)前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個(gè)方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用是“超越摩爾”技術(shù)路線中相當(dāng)重要的一環(huán)，需要數(shù)量巨大的集成電路芯片來(lái)分析處理來(lái)自外部傳感器件的海量信號(hào)。目前，大多數(shù)傳感信號(hào)采集器件和信號(hào)處理單元均為分離設(shè)計(jì)，將在整體上產(chǎn)生更大功耗并占據(jù)更大的空間。由此，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授梅永豐課題組提出了將信號(hào)檢測(cè)和分析功能集成于同一個(gè)芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團(tuán)隊(duì)將單晶硅薄膜柔性光電晶體管與智能薄膜材料相結(jié)合和組裝，構(gòu)造了對(duì)不同環(huán)境變量進(jìn)行檢測(cè)和分析的柔性硅芯片傳感器及其系統(tǒng)。這一思路不僅具有優(yōu)異的可擴(kuò)展性，還可與當(dāng)前集成電路先進(jìn)制造工藝相兼容。

5月2日，相關(guān)研究結(jié)果以《面向智能數(shù)字灰塵的硅納米薄膜光電晶體管多功能集成傳感器研究》（“Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust”）為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。研究團(tuán)隊(duì)從器件的傳感機(jī)理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實(shí)現(xiàn)了多種環(huán)境參數(shù)探測(cè)功能的集成。

圖1：(A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學(xué)顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測(cè)器件的電流變化，紅色為參比電流，藍(lán)色為檢測(cè)電流。

智能材料在環(huán)境刺激中可以發(fā)生折射率、顏色、晶體結(jié)構(gòu)等方面的光學(xué)性質(zhì)變化，但一般需要光譜設(shè)備或比色卡才能進(jìn)行比對(duì)。而翻轉(zhuǎn)的硅薄膜光電晶體管由于沒(méi)有柵極金屬阻擋功能區(qū)域的光信號(hào)吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區(qū)，智能材料內(nèi)部物理性質(zhì)變化引起了微小光學(xué)性能改變，從而表現(xiàn)在輸出的光電流上，因此可以在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)。

圖1A展示了傳感器件典型的功能層結(jié)構(gòu)，頂層的智能薄膜材料對(duì)環(huán)境刺激發(fā)生響應(yīng)，進(jìn)而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號(hào)。具有2微米厚的熱氧化二氧化硅層則作為光電晶體管的封裝，對(duì)下方器件進(jìn)行保護(hù)。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級(jí)先進(jìn)集成電路工藝方法制備而成，結(jié)合了傳統(tǒng)硅基光電子器件的高性能和硅納米薄膜超薄厚度下的優(yōu)良柔性。圖1B是貼附于半徑僅為2毫米直徑玻璃管上的柔性器件陣列，表現(xiàn)出良好的彎曲性能。圖1C是單個(gè)器件功能區(qū)域的特寫，在藍(lán)色虛框部分集成不同智能材料即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境信號(hào)的檢測(cè)。圖1D是具有完備傳感與數(shù)據(jù)處理功能的柔性系統(tǒng)合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲(chǔ)單元、信號(hào)放大器和電源。研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中濕度的實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)，演示的信號(hào)為依次減小的三個(gè)濕度脈沖。整個(gè)過(guò)程中直接對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)的信號(hào)，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時(shí)間的變化如圖1E中所示。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化（如圖所示通入氫氣），傳感器件的輸出電流大幅增加，而參比電流保持平穩(wěn)，再利用差分電路處理，即可給出所檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)的值。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了將智能材料與光電傳感結(jié)合的新穎傳感機(jī)制，并將傳感模塊與后續(xù)信號(hào)處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、濕度、溫度等多種環(huán)境參數(shù)檢測(cè)方面的能力，已經(jīng)初步具備了未來(lái)的“智能數(shù)字灰塵”的雛形。該策略也可以應(yīng)用于其他的數(shù)字傳感系統(tǒng)，在后摩爾時(shí)代中將具有巨大的應(yīng)用潛力。

論文主要由李恭謹(jǐn)博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國(guó)延世大學(xué)Taeyoon Lee教授和中科院微系統(tǒng)所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)和專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等大力支持。