未來(lái)之“芯”——我國(guó)首創(chuàng)同質(zhì)集成光電子芯片
自第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，加速人類(lèi)社會(huì)進(jìn)程的信息技術(shù)革命已如火如荼進(jìn)行了七十余年。如今，核心技術(shù)的突破很大一部分來(lái)自隱匿于機(jī)身深處的芯片。
日前，南京郵電大學(xué)博士生導(dǎo)師王永進(jìn)教授就在洶涌的創(chuàng)“芯”之浪里，翻騰出一朵耀眼的浪花。一塊芯片不僅能發(fā)光傳遞信息，還能同時(shí)接收光信息，這是過(guò)去無(wú)法想象的。王永進(jìn)發(fā)現(xiàn)了量子阱二極管發(fā)光和探測(cè)共存的物理現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出多種同質(zhì)集成光電子芯片，并與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主天野浩教授合作，實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)移同質(zhì)集成紫外光電子芯片，為世界性首創(chuàng)。
如今的硅基集成電子芯片發(fā)源于美國(guó)硅谷，在原始技術(shù)創(chuàng)新上，美國(guó)很大程度擁有“卡脖子”式的優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)的硅基芯片在高端硬件設(shè)計(jì)和制造方面與國(guó)際頂尖水平存在差距?！瓣P(guān)鍵技術(shù)、制備工藝、芯片設(shè)計(jì)都是別人的，簡(jiǎn)單的追趕和跟蹤不可能帶來(lái)超越?！蓖跤肋M(jìn)無(wú)奈地打了個(gè)比方。那么在芯片領(lǐng)域，我國(guó)只能受制于人嗎？王永進(jìn)以及他的團(tuán)隊(duì)在芯片領(lǐng)域，讓我們看到了另一種可能。
在如今電子信息時(shí)代，處理器與存儲(chǔ)器之間通過(guò)金屬納米線(xiàn)連接，信息通過(guò)電子得以傳輸。“這樣的傳輸方式會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的熱效應(yīng)，速率和容量都會(huì)因此受到限制，不容易做到同一片芯片（同質(zhì)集成）?！蓖跤肋M(jìn)解釋說(shuō)，事實(shí)上，“同質(zhì)集成”是芯片界的一個(gè)難題。長(zhǎng)期以來(lái)，光發(fā)射、傳輸、調(diào)制和接收器件等分屬不同的研究領(lǐng)域，很少有人將它們聯(lián)系起來(lái)研發(fā)。若能在處理器與存儲(chǔ)器之間實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)，通過(guò)光子傳輸信息，這樣基于光互聯(lián)的集成芯片將打破芯片界長(zhǎng)久以來(lái)的困境。
在實(shí)驗(yàn)中，王永進(jìn)發(fā)現(xiàn)量子阱二極管發(fā)光譜和探測(cè)響應(yīng)譜出現(xiàn)重疊區(qū)?！斑@說(shuō)明量子阱二極管器件可以同時(shí)作為發(fā)光和探測(cè)器件使用，具有同時(shí)發(fā)射、接收的‘收發(fā)雙工’特性。光電探測(cè)的新物理本質(zhì)和特性——‘量子阱二極管光發(fā)射和光探測(cè)共存’的物理現(xiàn)象被我們首次發(fā)現(xiàn)?！备鶕?jù)這一發(fā)現(xiàn)，王永進(jìn)研發(fā)出全雙工可見(jiàn)光通信芯片、光互聯(lián)芯片、類(lèi)腦芯片、物聯(lián)網(wǎng)芯片等不同種類(lèi)的芯片，證明“量子阱二極管光發(fā)射和光探測(cè)共存”的物理現(xiàn)象的普遍存在。
此次，王永進(jìn)與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主天野浩教授共同開(kāi)展面向紫外波段的同質(zhì)集成光子芯片的研究，基于硅襯底氮化物晶圓，將多個(gè)量子阱二極管器件制備在同一塊芯片上，通過(guò)波導(dǎo)互聯(lián)形成芯片內(nèi)通信系統(tǒng)，并利用機(jī)械剝離技術(shù)，首次獲得了微米級(jí)厚的可轉(zhuǎn)移同質(zhì)集成紫外光電子芯片。
與硅基芯片最大的區(qū)別在于，化合物基光電子芯片能在更低功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向信息傳輸，將光通信拓展到紫外和可見(jiàn)光波段。全新的物理認(rèn)知帶來(lái)全新的可能，王永進(jìn)說(shuō)：“未來(lái)5到10年，我們或許會(huì)迎來(lái)光電子信息時(shí)代，物理認(rèn)識(shí)的突破加上獨(dú)特的制備工藝，將會(huì)讓中國(guó)在光子信息時(shí)代的占據(jù)更多的主動(dòng)，這將是由中國(guó)掌握核心技術(shù)的時(shí)代?！?/p>
交匯點(diǎn)記者 王拓 實(shí)習(xí)生 王 甜