突破同质集成难题,中日合作首创两用芯片

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“同质集成”是业界的一个难题。

在一块芯片上不仅能发出光,还能同时接收光,这是过去无法想象的。近日,南京邮电大学王永进教授与2014年诺贝尔物理学奖得主天野浩教授合作,发现了量子阱二极管发光和探测共存的物理现象,并在此基础上研发出基于硅衬底氮化物晶圆,首次获得了直径0.8mm、2μm厚的可转移近紫外同质集成光电子芯片。为世界首创。该研究成果在最新一期的《今日半导体》 (Semiconductor Today)被专题报道。

“同质集成”是业界的一个难题。长期以来,光发射、传输、调制和接收器件等分属不同的研究领域,很难将它们联系起来集成在同一块芯片上。

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近紫外同质集成光电子芯片的制备示意图

2015年11月,王永进团队制备了世界上首款同质集成光电子芯片,将可见光的发射、传输、调制和接收功能分区域做在同一个芯片上。王永进介绍说,胃镜检查时,医生会将一个光纤探头和一个光源同时放入患者胃中,有了“同质集成光电子芯片”,可以将探头和光源放在一个芯片上。患者的痛苦将会减轻。

在实验中,王永进发现量子阱二极管发光谱和探测响应谱出现重叠区。“这说明量子阱二极管器件可以同时作为发光和探测器件使用,具有同时发射、接收的‘收发双工’特性。光电探测的新物理本质和特性——‘量子阱二极管光发射和光探测共存’的物理现象被我们首次发现。”为“同质集成光电子芯片”获得了理论支撑。

根据这一发现,王永进在此基础上研发出全双工可见光通信芯片、光互联芯片、类脑芯片、物联网芯片等不同种类的芯片,证明“量子阱二极管光发射和光探测共存”的物理现象普遍存在,回应了学术界的质疑。

王永进表示:“未来,手机里仅需要安装一块集能源、传感、照明和通信一体的同质集成光电子芯片,就能实现自充电、感知和通信等功能,再也不需要携带充电器、充电宝了。”

通过生长不同组分的量子阱结构,调控量子阱二极管器件的发光光谱,能够实现多谱段的发光器件。“我们已将‘同质集成光电子芯片’的研究从可见光波段拓展到紫外光波段,还将研究基于量子阱二极管发光和探测共存现象的红外同质集成光电子芯片。”王永进希望研究成果可以服务于未来社会革命性的变化。

此次,王永进与2014年诺贝尔物理学奖得主天野浩教授共同开展面向紫外波段的同质集成光子芯片的研究,并基于硅衬底氮化物晶圆,将量子阱二极管器件制备在同一块芯片上,通过波导互联形成芯片内通信系统,并利用机械剥离技术,首次获得了直径0.8mm、2μm厚的可转移紫外同质集成光电子芯片。

“只要一块小小的紫外光电子芯片,就可以完成水净化消毒、检测、通信等一系列复杂程序。”王永进说,随着研究进一步拓展,同质集成光电子芯片应用领域将越来越广泛。

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