从“芯”破局
一块芯片不仅能发光传递信息，还能同时接受光信息，这在过去是无法想象的。近年，南京邮电大学王永进教授团队刻苦攻关、从“芯”破局，发现量子阱二极管光发射和探测共存的物理现象，先后成功制备世界首款同质集成光电子芯片、全双工可见光通信芯片以及可转移近紫外同质集成光电子芯片，将同质集成光电子芯片的核心技术牢牢掌握在自己手中，成为该领域的世界领跑者。
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跟踪氮化镓集成技术
十六年前，25岁的博士生王永进跨入刚经过战略目标调整的中国科学院上海微系统与信息技术研究所的大门。一年前，研究所门口还挂着“中国科学院上海冶金研究所”的牌子。在这里，他紧跟导师邹世昌院士和张峰研究员的步伐，泡实验室，每天阅读10篇以上文献（这个阅读习惯一直保持至今），参与完成中科院“百人计划”项目“SOI（注：绝缘衬底的硅）材料与器件”以及863项目“光子集成SOI材料规模化生产技术”，发表19篇高质量论文。
即使做得最顺利的时候，师生三人也常怀忧虑。他们明白，我国半导体集成技术仍停留在锗、硅材料上，较国际先进水平的半导体集成技术差距巨大，集成电路芯片80%依靠进口，我们中国人还要花很长时间去追赶别人，在核心技术上取得突破。
氮化镓材料拥有优异的光学、电学、机械和压电性能，通过生长不同组分的量子阱结构，能够调控器件的发光光谱，制备多谱段的发光器件，被誉为是继第一代锗、硅，第二代砷化镓、磷化铟之后的第三代半导体材料。2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇、天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他们于上世纪八十年代在发明基于氮化镓的高效节能蓝光二极管光源方面的贡献。他们的发明改写了人类的照明历史。
另一方面，氮化镓量子阱二极管还能探测感知光，实现光电能量及信息转换。国外少数发达国家垄断了氮化镓材料的生长及光电器件制备技术。向国际先进实验室学习相关技术迫在眉睫。2005年博士毕业后，王永进分别获得了德国洪堡基金会以及日本学术振兴会的资助，先后到国际知名高校德国弗莱堡大学和日本东北大学开展科学研究。借助德国和日本的一流实验平台，他惜时如金、刻苦学习、认真钻研，致力于集成光子及光学微机电系统领域的前沿探索，掌握了光刻、沉积、蒸发、刻蚀、封装等一整套芯片加工“流片”本领。
国内外先进科技的差距以及德、日培养工科学生的模式深深触动了王永进。2011年1月，王永进怀揣着拳拳报国之梦，回国任职南京邮电大学，希望创建一支科研队伍，搭建自己的科研平台，为科技强国贡献所学。
首创同质集成光电子芯片如果说，远赴国外让王永进掌握了国际最先进的半导体集成技术，那么，南京邮电大学优质的信息学科资源则激发了其开展集成半导体和信息协同研究的思路。来到南京邮电大学不到一年的时间，王永进跑遍了三牌楼校区的整个科研楼，找了所有能找的老师请教通信问题。
2011年6月，王永进和夫人蒋元回访德国于利希研究中心，结识了2007年诺贝尔物理学奖得主、72岁的德国科学家彼得·格林贝格尔教授。共同的科研志向加上蒋元的“音乐外交”，让这位喜爱古典音乐的科研界泰斗欣然加盟南京邮电大学，并带来了新理念——“一定要专注简单而重要的发现”，指导王永进正式组建了微纳器件与信息系统创新团队，聚焦面向物联网的集成光电子芯片研发。
诺奖得主彼得教授（右）观摩实验演示
汇聚人才成为王永进建队的首要任务，这方面妻子蒋元功不可没。她联系和王永进一起访学日本的曹自平、杜关祥、胡芳仁等青年学者的妻子。对科学的热爱和南京邮电大学理想的科研环境，很快吸引了这些青年学者加盟团队。王永进表示：“面向可见光通信，长期以来，学者们在发射、传输及接收等方面做分立的研究，很少人将材料、制备、器件和系统等联系起来作为一个整体系统进行研发。我拥有材料、器件和通信三个领域的科研履历，能够将它们融合在一起研究。”
在付出了常人难以想象的艰辛和努力、经历了一次次失败之后，2015年底，团队终于成功制备出世界首款“同质集成多功能光电子芯片”。这款芯片基于硅衬底氮化镓晶圆，将多个悬空薄膜量子阱二极管器件制备在同一块芯片上，通过波导实现芯片内光互联，集成可见光通信的发射、传输、调制和接收功能，能同时作为能源模块、照明模块、感知模块和通信模块，满足物联网的多种应用需求：作为能源模块，它能收集环境中的光能、振动能并转化成电能储存起来，实现能量自供给；作为照明模块，通过能源模块的供给，它能实现照明功能；芯片制备在几微米厚的悬空薄膜上，作为感知模块，受到外力作用会变形产生电流，能实现对环境中气体或液体流速的感知；作为通信模块，能将从环境中获取的感知信息转换成光信号传递出去，实现终端信息的网络接入。
同质集成光电子芯片具有低功耗、高速率、高可靠、小体积等突出优点，有着广泛的应用前景。王永进举例说，如果路灯用上它，白天吸收太阳光，把光能转变为电能存储起来，晚上就可以实现自照明；集成微纳光子器件，行人对路灯吹口气，对光谱信息进行分析处理，就能进行针对性的体检；手机里装上它，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；医生做胃镜检查时，通常会将一个光纤探头和一个光源同时放入患者胃中，有了它，采用主动成像技术，就可以将探头和光源制备在一块芯片上，有效减轻患者的痛苦；如果光致类脑神经芯片能够植入人体，脑瘫患者装上它，就可以通过简单光操控，指挥四肢，改善患者的生活质量。
那么，何以一个小小的芯片拥有如此强大的功能？在反复的科学实验中，团队发现，基于氮化镓材料生长的量子阱二极管器件不仅能够发射光，还能探测光，而且光发射谱和探测谱存在重叠区！由于重叠区的存在，电子注入量子阱二极管产生的高能光子也能被吸收激发出电子空穴对，因而量子阱二极管器件同时存在电光、光电转换，具有相同量子阱结构的量子阱二极管可以采用相同的工艺流程制备在同一块芯片上，通过波导互联，实现同质集成光电子芯片。
回应质疑芯片及其物理机制公诸于众后，质疑声不断，就连诺奖得主天野浩教授听闻后也直呼：“不可能！”
为了回应各方质疑，团队迎难而上，先后制备了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现象的普遍存在，并邀请相关专家观摩验证。
亲眼所见和深入交流后，天野浩教授充分肯定了团队的“颠覆性”研究成果，并成了团队的坚定支持者，与团队共同承担了中国科技部国际合作重点专项。2018年初，双方基于硅衬底氮化物晶圆，利用机械剥离技术，首次获得直径0.8毫米、2微米厚的可转移近紫外同质集成光电子芯片。可以想象，未来只要一块紫外光电子芯片，就可以完成水净化消毒、检测、通信等一系列复杂程序。这项研究成果被《今日半导体》作为亮点进行了报道。
近紫外同质集成光电子芯片的制备示意图
《今日半导体》是总部位于英国具有独立性和非营利性的国际半导体行业著名杂志，专注于报道化合物半导体和先进硅半导体的重要研究进展和最新行业动态，具有很强的行业影响力，两年来已对王永进科研团队的相关成果作了六次亮点介绍。这充分表明该团队在集成光电子芯片领域已达到国际领先水平。
团队骄人的科研进展引起了众多专家学者的关注。国际电信联盟秘书长赵厚麟先生、国家基金委副主任姚建年院士以及于全院士、尹浩院士等行业领袖和学术大咖都实地调研视察了团队的研究进展。
博弈光电子集成芯片需要他们的坚持攻坚之初，可谓举步维艰。这批年轻骨干常年以实验室为家，一心扑在任务上，聚焦集成光电子芯片，以问题为导向，协同攻关关键技术，每周工作6天半是常态，遇到技术难题，常常昼夜连轴转，其中经历多少挫折，付出多少心血，可想而知。
在三牌楼校区科研楼和图科楼，王永进积极整合各方资源，建成了包括微纳加工平台、物性表征平台、测试平台在内的拥有国际水准的芯片研发平台，团队可以开展独立高效的芯片制备测试工作。七年过去了，从学校支持的200万科研启动经费到价值逾5000万的系统研发平台，这是王永进来南京邮电大学时不可想象的。那时他主要前往中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所“流片”，常年奔波于苏州、南京两地。
为了做出第一批芯片，王永进带着学生赴苏州日夜赶工。“流片”需要砸钱，最贵一次一天花费近5万。每次他们都在预约时间前半小时就位，在实验室里争分夺秒。
团队经费一直紧张，培养一名精通“流片”的人才至少需要100万的投入，但王永进永远舍得这份投入，保证每届研究生中有两名会“流片”，用他的话来说，“学生是科研的主力军”。
“数据无好坏，要尊重实验数据，从里面发现科学问题”，王永进鼓励学生和国际先进课题组竞争，做国际领先的技术。他定期和学生交流问题，及时了解学生的研究进展，遇到问题现场解决，不积累、不推卸。
将加工好的芯片顺利转移到基板上进行测试，是一个棘手难题。从依靠传统的探针台到配置引线机，从自己动手摸索引线机到能熟练操作，解决这一难题，团队花了整整两年时间。伴随着这个过程的，是芯片中数据传输速率从几Kbps到几Mbps再到几十Mbps、100Mbps、200Mbps的攀升。200Mbps是该领域的世界最快记录。
即使在最灰暗的时候，团队也没有想过放弃，而是始终坚信“我们能做，而且能做好”。
集成光电子芯片研究现已打造成为南京邮电大学“世界一流学科”建设项目重点支持领域，团队领衔的“微纳器件与信息系统创新引智基地”入选 2017年“高等学校学科创新引智计划”。
凭借独有的器件制备流程，加上国内拥有自主的氮化镓晶圆成长技术，王永进的下一个目标是研制出更多原创性的同质集成光电子芯片，实现规模化量产。
“如果说在电子信息时代，我们防守于硅基电子集成芯片，在光电子信息时代，我们博弈于化合物光电子集成芯片，那么，在未来的光子信息时代，希望我们可以决战全光子集成芯片。”
对团队的未来，王永进充满信心。
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监制 / 校党委宣传部、信息中心
文案 / 沈金霞、李心电、蒋燕
编辑 / 任浩
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