研究论文

5 采用电荷共享多路复用器的1.25 μW每通道功耗的时分复用生物电信号采集模拟前端

近年来，生物传感芯片被广泛应用于各类医疗设备中，用于检测人体生物电位信号，如心电图（ECG）、脑电图（EEG）、肌电图（EMG）等。许多现代医疗应用需求大量、多维的数据用于精确定位病症发生的具体位置。为了获取足够的信号数据，通常需要同时使用多组电极来记录人体不同组织区域的电场活动，并配备多通道的模拟前端（AFE）对生物电信号进行放大和量化。相比于单通道的采集系统，多通道模拟前端会显著增加芯片面积和功耗，这与可穿戴/植入式医疗应用对设备长续航、小体积的需求形成冲突。时分多路复用（TDM）技术是使用一条高速信道交替传输多个低速独立信号的数据传输技术，此技术可减少部分电路模块的数量，从而有效缩减芯片面积、提高系统集成度，被广泛应用于多通道信号采集系统。然而，时分复用减少了低速信号通道的采样时间，要求驱动电路提供更强的驱动能力以实现信号的精确传输，显著提高了缓冲器的功耗。针对此问题，当前已报道的文献中使用了双采样、占空比控制等技术对缓冲器功耗进行优化。这些技术一定程度上削减了缓冲器的功耗，但通常只适用于通道数较少的情况，随着复用通道数量的增长，其功耗改善的效果会变差。

近日，中国科学技术大学微电子学院程林教授、王晶副研究员课题组设计并验证了一种基于电荷共享多路复用技术的多通道生物电信号采集模拟前端芯片。他们提出了一种电荷共享多路复用器以取代传统架构中的缓冲器，通过预采样、电荷共享、复位三阶段的操作实现信号的高质量传输。所设计的电荷共享多路复用器完全由无源器件开关与电容组构成，几乎不消耗静态功耗，仅消耗少量动态功耗。他们在工作中分析了所提出技术的功耗优化效果，结果表明，与传统结构中的缓冲器相比，电荷共享多路复用器消耗了明显更低的功耗。在20通道的设计条件下，前者的功耗为21.6 μW，而后者的功耗仅120 nW，节约了大多数功耗。此外，所提出的技术受通道数量增长的影响较小，其功耗代价随通道数增加而线性提升，且占据的比例在系统总功耗中可忽略，因此在更多通道的应用场景下仍然具有价值。所设计的模拟前端芯片基于65 nm CMOS工艺进行流片验证，实现了仅1.25 μW的单通道功耗与0.14 mm²的单通道芯片面积。

图1. (a) 传统的时分复用采集系统；(b) 所提出的基于电荷共享多路复用技术的多通道系统。

图2. (a) 20通道模拟前端芯片显微照片；(b) 芯片功耗分解图。

该文章以题为“A 1.25 μW/Ch TDM-based analog front-end using a charge-sharing multiplexer for bio-potential recording”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

A 1.25 μW/Ch TDM-based analog front-end using a charge-sharing multiplexer for bio-potential recording

Yifan Huang, Jing Wang, and Lin Cheng

J. Semicond. 2025, 46(10), 102203 doi: 10.1088/1674-4926/24120034

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6 面向C + L波段应用的高响应度与高速硅基锗光电探测器

随着 5G 网络、人工智能（AI）和物联网（IoT）等数据驱动技术的快速发展，全球数据流量呈现爆炸式增长。如何在有限光纤资源下实现高速、大容量的数据传输，成为当前光通信发展的关键挑战。波分复用（WDM）技术通过让多波长信号同时在一根光纤中传输，大幅提升了光纤的频谱利用率。传统光通信主要集中在C波段（1530–1565 nm），但随着容量需求增加，L波段（1565–1625 nm）也逐渐被开发，用于扩展传输带宽。

在光电器件方面，硅基锗（Ge）光电探测器因其优异的近红外吸收特性和与硅光子工艺的兼容性，成为C + L波段光通信系统中的核心器件。然而，传统Ge探测器在灵敏度和高速性能方面仍存在不足。如何在保证低噪声的同时实现高响应度和高带宽，是该领域的研究难点。

中国科学院半导体研究所成步文研究员团队近期在Journal of Semiconductors上发表最新成果，提出了一种新型非对称结构硅基锗光探测器，该器件在C + L波段均表现出高灵敏度和高速率性能。

图1. (Ⅰ) 器件三维结构示意图；(Ⅱ) 器件剖面示意图。

与传统器件不同，该探测器在设计上采用了 非对称PIN结构，优化了Ge层内部电场分布，并有效缩短了耗尽区的有效宽度。同时，在光学设计上引入了分布式布拉格反射器（DBR），实现对未被吸收光的再利用，从而提升了器件在L波段的响应度。实验结果表明，在−7 V弱雪崩条件下，器件在1550 nm波长下的响应度达到1.49 A/W，1600 nm波长下达到1.16 A/W，同时带宽分别达到47.1 GHz与44.5 GHz。另外，器件采用了简化的CMOS工艺，在保证性能的同时降低了制造复杂度和成本。该研究成果为下一代光通信系统提供了新的解决方案。未来，这类高灵敏度与高速响应的硅基锗光电探测器有望广泛应用于：

    •数据中心与云计算：满足超大规模数据传输的需求；

    •人工智能与高性能计算：支持高速互联与低延迟数据传输；

    •6G及未来光网络：推动更大容量、更高能效的光通信基础设施建设。

此外，该器件设计为后续硅光子芯片集成提供了更多可能性，有助于推动光电融合计算与下一代信息技术的发展。

图2. 在1550 nm和1600 nm入射光下器件的响应度与带宽（-2~-8 V）。

该文章以题为“High-responsivity and high-speed germanium photodetector for C + L application”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

High-responsivity and high-speed germanium photodetector for C + L application

Yiling Hu, Zhipeng Liu, Zhi Liu, Yupeng Zhu, Tao Men, Guangze Zhang, Jun Zheng, Yuhua Zuo, Buwen Cheng

J. Semicond. 2025, 46(10): 102401  doi: 10.1088/1674-4926/25030017

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7 通过掺杂铟阳离子提高α-Ga₂O₃纳米线阵列的光电化学性能，实现自供电紫外线检测

紫外线（UV）探测器作为关键光电子器件，在环境监测、气体传感、医疗诊断等重要领域应用广泛。当前主流的固态紫外线探测器虽在部分场景中实现应用，但存在明显短板：复杂的制造工艺推高了生产成本，额外驱动电压的需求限制了其在便携式设备中的使用，较慢的响应时间更是难以适配高速探测场景，这些问题共同制约了其实际应用范围的拓展。与之相比，光电化学（PEC）紫外线探测器凭借显著优势近年逐渐成为研究焦点：不仅制造成本低、制备流程简单，更具备出色的自供电能力，可摆脱对外部电源的依赖，极大地契合了便携式、野外探测设备的需求。然而，PEC紫外线探测器的性能提升仍面临关键瓶颈，即响应度较低，难以满足高精度探测场景的要求。这一问题的根源在于，其工作过程不仅依赖光生电荷载流子的有效分离与传输，还与电极电解质界面的化学反应紧密相关，目前科研领域对界面化学反应的调控与优化仍存在不足，导致光生电荷难以高效转化为电信号，最终影响了探测器的响应性能，成为该领域亟待突破的核心难题。

近日，南京邮电大学GaN-X团队通过水热法在氟掺杂氧化锡（FTO）基板上制备了In掺杂的α-Ga₂O₃纳米线阵列，并进行了后续的热退火处理。这些阵列随后被用作光阳极来构建紫外光探测器。In掺杂降低了α-Ga₂O₃的带隙，增强了其对紫外光的吸收。因此，In掺杂的α-Ga₂O₃纳米线阵列表现出优异的光检测性能。当被255 nm深紫外光照射时，其响应度达到38.85 mA/W。此外，探测器的响应时间和恢复时间分别为13 ms和8 ms。In掺杂的α-Ga₂O₃纳米线阵列的响应度比未掺杂的约高三倍。

In掺杂的引入降低了α-Ga₂O₃的带隙，为优化α-Ga₂O₃纳米线的光电化学性能提供了有效途径，对推动α-Ga₂O₃材料在光电子领域的应用展现出巨大潜力。

图1. （a）掺In α-Ga₂O₃纳米线阵列的制备过程示意图。（b）掺In α-Ga₂O₃光阳极的光电化学工作机理图。

图2. （a）掺In α-Ga₂O₃样品的X射线衍射（XRD）图谱。（b）掺In α-Ga₂O₃样品的紫外-可见吸收光谱。

文章信息：

Boosting photoelectrochemical performance on α-Ga₂O₃ nanowire arrays by indium cation doping for self-powered ultraviolet detection

Junjun Xue, Jiyuan Huang, Kehan Li, Ping Liu, Yan Gu, Ting Zhi, Yan Dong, Jin Wang

J. Semicond. 2025, 46(10): 102501  doi: 10.1088/1674-4926/25020024

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