北京时间2026年2月18日，中国科学院半导体研究所王丽丽研究员课题组提出了一种全新的12英寸晶圆级集成的光电传感芯片，上述研究成果以“Twelve-inch electrically anisotropic boridene for optoelectronic computing”为题在线发表于Nature Nanotechnology。
模拟人类视觉系统的神经形态光电计算设备具有可编程的双极性和线性光响应，无需复杂的电流减法电路即可实现高效且多样的计算路径，已成为实现先进图像处理的有力解决方案。通过单片三维集成技术将其与其他功能器件结合，可以进一步减少冗余数据传输并降低延迟。然而，这一愿景的实现受到热预算和器件结构的限制。多数高性能神经形态计算材料的生长温度高于400°C，超过后道工艺（BEOL）的热预算，无法在底层电路上直接生长。尽管已经开发了许多晶圆级低温材料生长技术，但它们通常适用于电计算材料，未扩展至光电计算材料。其次，现有的光电计算设备往往依赖双栅极设计实现可编程双极性光响应。这导致每个像素单元至少需要四个电极端口，增加了大规模阵列的布线复杂度和制造难度，阻碍了可靠的晶圆级集成。
近日，中国科学院半导体研究所王丽丽研究员团队与合作者成功在150°C下实现了12英寸均匀薄膜的制备。从三维前驱体(Mo2/3Y1/3)2AlB2出发，利用不同原子键强度的差异，选择性刻蚀了铝原子层和钼层中的钇原子。此过程得到稳定分散的二维Mo4/3B2Tz boridene纳米片的同时，引入了面内有序的金属空位。通过第一性原理理论模拟和导电原子力显微镜实验表征，发现层间电荷传输受到层间滑移和旋转的显著影响。薄膜中特定的堆叠方式会影响空位对准状态，诱导范德华间隙内产生更强的电偶极子，形成活跃的导电通道，导致薄膜具有面外电导率高于面内电导率特征的电各向异性。基于此，研究团队设计出一种简化的三端光电计算器件架构。与传统的四电极设计相比，这种利用电各向异性的器件，在编程电压调制下不仅能够同样实现线性的双极性光响应，还可大幅降低阵列的布线密度。
图1 低温沉积12英寸Mo4/3B2Tz boridene薄膜
为了验证材料的大规模集成潜力，研究团队在12英寸绝缘体上硅（SOI）衬底上制备了440个光电计算阵列，每个阵列包含54 × 54像素，具有高度一致的可编程光电特性。阵列的最高像素良率可达99.48%，并在整个阵列层面上实现了16个可区分的光响应态。与其他先进的光电计算平台相比，该研究不仅实现了无需转移的低温直接薄膜沉积，且在均匀性、像素规模、态数目、线性度等关键指标上均具优势。
可编程光电计算阵列还具备图像感知与处理能力。通过依据预设权重对感知的光学信息进行模拟计算，该阵列可直接输出卷积神经网络（CNN）的卷积结果。这一过程无需经过冗余的减法电路和信号传输，从而在感知端就完成了对眼底图像特征的高效提取。随后的CNN模型利用这些特征进行推理，对不同眼底健康状态判断的准确率达到87%，具备应用于眼科疾病辅助诊断的前景。
图2 可编程光电计算阵列的光响应统计分析
该成果以“12-inch electrically anisotropic boridene for optoelectronic computing”为题，在线发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。中国科学院半导体所王丽丽研究员、上海技物所胡伟达研究员、华盛顿大学圣路易斯分校Sang-Hoon Bae教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发项目的资助。
