CN109920786B - 同质集成光电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种同质集成光电子装置。所述同质集成光电子装置包括：衬底；能源模块，位于所述衬底表面，包括至少一个第一量子阱二极管器件，用于将自外界环境中接收到的光能转换为电能；通信模块，位于所述衬底表面，包括至少一组第一通信单元，所述第一通信单元包括两个第二量子阱二极管器件以及连接于两个所述第二量子阱二极管器件之间的第一光波导；控制模块，位于所述衬底外部，且连接所述能源模块和所述通信模块，用于存储来自于所述能源模块的所述电能，并向所述通信模块提供所述电能。本发明实现了光电子装置能源的自供给，扩大了光电子装置的应用领域。

Description

同质集成光电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种同质集成光电子装置。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是在发光二极管(LightEmitting Diode，LED)等技术上发展起来的一种新型、短距离、高速的无线通信技术。它以LED作为光源，以大气或水作为传授媒介，通过发出肉眼察觉不到的、高速明暗闪烁的可见光信号来传输信息，在接收端利用光电二极管(Photodiode，PD)完成光电转换，然后进行电信号的接收、再生、解调来实现信息的传递。与传统无线射频通信技术相比，VLC具有：耗能低、购置设备少等优势，符合国家节能减排战略；无电磁污染，可见光波段和射频信号不相互干扰，对人眼安全，频谱无需授权即可使用的优点；同时，适合信息安全领域使用，只要遮挡住可见光，VLC通信网络中的信息就不会外泄，具有高度保密性。基于上述原因，可见光通信被公认为最具发展前景的通信技术，已成为国内外的研究热点。

但是，现有具备可见光通信功能的光电子装置需要借助外部电源供电，且功能比较单一，集成度不高，从而限制了光电子装置的应用领域。

因此，如何实现光电子装置电能的自动供给，扩展光电子装置的应用领域，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种同质集成光电子装置，用于解决现有的光电子装置需要借助外部电源进行能源供给的问题，以增强光电子装置的功能，扩大光电子装置的应用领域。

为了解决上述问题，本发明提供了一种同质集成光电子装置，包括：

衬底；

能源模块，位于所述衬底表面，包括至少一个第一量子阱二极管器件，用于将自外界环境中接收到的光能转换为电能；

通信模块，位于所述衬底表面，包括至少一组第一通信单元，所述第一通信单元包括两个第二量子阱二极管器件以及连接于两个所述第二量子阱二极管器件之间的第一光波导；

控制模块，位于所述衬底外部，且连接所述能源模块和所述通信模块，用于存储来自于所述能源模块的所述电能，并向所述通信模块提供所述电能。

优选的，所述第一量子阱二极管器件为多个，且多个所述第一量子阱二极管器件呈矩阵排布，构成能源阵列。

优选的，所述能源阵列中的每一行包括多个相互串联的所述第一量子阱二极管器件，且所述能源阵列的各行之间并联。

优选的，所述第一量子阱二极管器件包括：

第一缓冲层，位于所述衬底表面；

第一P-N结量子阱结构，位于所述第一缓冲层表面；

第一空腔，沿垂直于所述衬底的方向贯穿所述衬底与所述第一缓冲层至所述第一P-N结量子阱结构的底面，使得所述第一P-N结量子阱结构悬于所述第一空腔上方。

优选的，所述第二量子阱二极管器件包括：

第二缓冲层，位于所述衬底表面，且与所述第一缓冲层同层设置；

第二P-N结量子阱结构，位于所述第二缓冲层表面，所述第一P-N结量子阱结构与所述第二P-N结量子阱结构均采用Ⅲ-Ⅴ族材料形成。

优选的，所述控制模块包括：

储能电容，连接所述能源模块，用于存储所述电能；

二极管驱动电路，连接所述储能电容，用于对来自于所述储能电容的所述电能进行调制后传输至所述通信模块。

优选的，还包括：

照明模块，连接所述控制模块，包括至少一个第三量子阱二极管器件；

所述控制模块还用于向所述照明模块提供所述电能，使得所述第三量子阱二极管器件向外辐射光信号。

优选的，所述第三量子阱二极管器件的数量为多个，且多个所述第三量子阱二极管器件呈阵列排布。

优选的，还包括：

传感模块，连接所述控制模块，包括至少一个第四量子阱二极管器件；

所述控制模块还用于向所述传感模块提供所述电能，使得所述第四量子阱二极管器件检测外界环境中的传感信息。

优选的，所述通信模块还包括至少一组第二通信单元，所述第二通信单元包括两个第五量子阱二极管器件以及连接于两个所述第五量子阱二极管器件之间的第二光波导；

所述第二通信单元的一端连接所述控制模块、另一端连接所述传感模块。

本发明提供的同质集成光电子装置，通过在衬底上同时形成能源模块和通信模块，所述能源模块中的第一量子阱二极管器件能够将外界环境中的光能转换为电能，并通过位于所述衬底外部的控制模块向通信模块供给电能，实现了光电子装置能源的自供给，从而增强了光电子装置的功能，扩大了光电子装置的应用领域。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中同质集成光电子装置的整体结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中同质集成光电子装置的结构框图；

附图3是本发明具体实施方式中能源模块的结构示意图；

附图4是本发明具体实施方式中第一量子阱二极管器件的结构示意图；

附图5是本发明具体实施方式中第一P-N结量子阱结构的光伏效应示意图；

附图6是本发明具体实施方式中控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的同质集成光电子装置的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种同质集成光电子装置，附图1是本发明具体实施方式中同质集成光电子装置的整体结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中同质集成光电子装置的结构框图。如图1、图2所示，本具体实施方式提供的同质集成光电子装置，包括：

衬底10；

能源模块11，位于所述衬底10表面，包括至少一个第一量子阱二极管器件111，用于将自外界环境中接收到的光能转换为电能；

通信模块13，位于所述衬底10表面，包括至少一组第一通信单元21，所述第一通信单元21包括两个第二量子阱二极管器件131以及连接于两个所述第二量子阱二极管器件131之间的第一光波导132；

控制模块12，位于所述衬底10外部，且连接所述能源模块11和所述通信模块13，用于存储来自于所述能源模块11的所述电能，并向所述通信模块13提供所述电能。

由于量子阱二极管器件(包括第一量子阱二极管器件111和第二量子阱二极管器件131)的光发射谱和探测谱存在重叠区域，电子注入量子阱二极管器件、驱动量子阱二极管器件发光的同时，也能吸收光信号以激发出电子-空穴对，生成光电流，从而出现量子阱二极管器件光发射和光探测共存的现象。

在本具体实施方式中，所述第一量子阱二极管器件111与所述第二量子阱二极管器件131均位于所述衬底10表面，实现了所述能源模块11与所述通信模块13的同质集成。其中，所述衬底10可以为Ⅲ-Ⅴ族材料衬底，也可以为硅衬底。所述第一量子阱二极管器件111与所述第二量子阱二极管器件131可以均采用Ⅲ-Ⅴ族材料制造而成。由于所述能源模块11中的所述第一量子阱二极管器件111能够吸收外界环境中的光能，并利用光伏效应将光能转换为电能；所述控制模块12能够存储所述能源模块11产生的电能，并以存储的所述电能驱动所述通信模块13的所述第二量子阱二极管器件131，使得所述同质集成光电子装置在进行可见光通信的过程中，无需再借助外界电源，实现了能量的自供给，从而增强了光电子装置的功能，扩大了光电子装置的应用领域。

附图4是本发明具体实施方式中第一量子阱二极管器件的结构示意图，附图5是本发明具体实施方式中第一P-N结量子阱结构的光伏效应示意图。

优选的，如图4、5所示，所述第一量子阱二极管器件111包括：

第一缓冲层41，位于所述衬底10表面；

第一P-N结量子阱结构，位于所述第一缓冲层41表面；

第一空腔47，沿垂直于所述衬底10的方向贯穿所述衬底10与所述第一缓冲层41至所述第一P-N结量子阱结构的底面，使得所述第一P-N结量子阱结构悬于所述第一空腔47上方。

举例来说，所述第一P-N结量子阱结构包括n-GaN层42、InGaN/GaN量子阱层43、p-GaN层44、p-电极45和n-电极46。其中，所述n-GaN层42、所述InGaN/GaN量子阱层43和p-GaN层44沿垂直于所述衬底10的方向依次叠置于所述衬底10表面，所述p-电极45位于所述p-GaN层44表面、所述n-电极46位于所述n-GaN层42表面。所述第一量子阱二极管器件111吸收外界光能产生非平衡的电子-空穴对；产生的的电子-空穴对以扩散或漂移的方式向P-N结势场区(即所述InGaN/GaN量子阱层43)运动；在势场区势能作用下电子向所述n-GaN层42侧积累，空穴向所述p-GaN层44侧积累，形成电动势，从而产生光电流I₀。光电流I₀传输至所述控制模块12进行存储。图5中的负载可以为所述控制模块12。

本具体实施方式通过形成贯穿所述衬底10与所述第一缓冲层41的所述第一空腔47，形成悬空器件结构，使得所述第一量子阱二极管器件111还能够通过压电效应将自外界环境中收集到的振动能转换为电能，从而提高了所述能源模块11的电能生产效率。

附图3是本发明具体实施方式中能源模块的结构示意图。由于一个所述第一量子阱二极管器件111所能产生的电流和电压有限，优选的，如图1、图3所示，所述第一量子阱二极管器件111为多个，且多个所述第一量子阱二极管器件111呈矩阵排布，构成能源阵列。

更优选的，所述能源阵列中的每一行包括多个相互串联的所述第一量子阱二极管器件111，且所述能源阵列的各行之间并联。

举例来说，如图3所示的能源阵列包括4行4列，每行中的4个所述第一量子二极管器件111串联，且4行第一量子阱二极管器件111相互之间并联设置。本领域技术人员可以根据实际需要设置能源阵列的尺寸。

优选的，所述第二量子阱二极管器件131包括：

第二缓冲层，位于所述衬底10表面，且与所述第一缓冲层41同层设置；

第二P-N结量子阱结构，位于所述第二缓冲层表面，所述第一P-N结量子阱结构与所述第二P-N结量子阱结构均采用Ⅲ-Ⅴ族材料形成。

具体来说，所述第二P-N结量子阱结构可以与所述第一P-N结量子阱结构、材料均相同，从而同步形成所述第一量子阱二极管器件111与所述第二量子阱二极管器件131，简化所述同质集成光电子装置的制造工艺。

附图6是本发明具体实施方式中控制模块的结构示意图。优选的，如图1、图6所示，所述控制模块12包括：

储能电容121，连接所述能源模块11，用于存储所述电能；

二极管驱动电路122，连接所述储能电容121，用于对来自于所述储能电容121的所述电能进行调制后传输至所述通信模块13。

具体来说，所述二极管驱动电路122将预传输的信息加载至来自于所述储能电容121的电信号中，形成调制电信号，并将所述调制电信号传输至一所述第二量子阱二极管器件131中，使得第二量子阱二极管器件发出第一调制光；所述第一调制光耦合进第一光波导132，并最终被所述第一通信单元21中的另一所述第二量子阱二极管器件131接收。

优选的，如图1、图2所示，所述同质集成光电子装置还包括：

照明模块14，连接所述控制模块12，包括至少一个第三量子阱二极管器件141；

所述控制模块12还用于向所述照明模块14提供所述电能，使得所述第三量子阱二极管器件141向外辐射光信号。

具体来说，所述储能电容121能够向所述第三量子阱二极管器件141传输电信号，驱动所述第三量子阱二极管器件141向外辐射光信号，实现照明功能。其中，所述第三量子阱二极管器件141也可以采用Ⅲ-Ⅴ族材料形成，从而与所述第一量子阱二极管器件111、所述第二量子阱二极管器件131同质集成于所述衬底10表面。所述照明模块14可以仅包括一个第三量子阱二极管器件141；也可以包括呈阵列排布的多个第三量子阱二极管器件141，从而形成照明阵列，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

为了提高照明效率，优选的，本具体实施方式中的所述第三量子阱二极管器件141的数量为多个，且多个所述第三量子阱二极管器件141呈阵列排布。

优选的，所述同质集成光电子装置还包括：

传感模块15，连接所述控制模块12，包括至少一个第四量子阱二极管器件151；

所述控制模块12还用于向所述传感模块15提供所述电能，使得所述第四量子阱二极管器件151检测外界环境中的传感信息。

优选的，所述通信模块13还包括至少一组第二通信单元22，所述第二通信单元22包括两个第五量子阱二极管器件133以及连接于两个所述第五量子阱二极管器件133之间的第二光波导134；

所述第二通信单元22的一端连接所述控制模块12、另一端连接所述传感模块15。

具体来说，所述第四量子阱二极管器件151包括依次叠置于所述衬底10表面的第四缓冲层、第四P-N结量子阱结构、以及第四空腔，所述第四空腔沿垂直于所述衬底10的方向贯穿所述衬底10与所述第四缓冲层至所述第四P-N结量子阱结构的底面，使得所述第四P-N结量子阱结构悬于所述第四空腔上方，形成悬空器件结构。通过具有所述第四空腔的所述第四量子阱二极管器件151的压电效应，感知外界环境中的振动等传感信息、并转换为感知电信号。所述感知电信号加载至传输至一所述第五量子阱二极管器件133的驱动电信号中，使得第五量子阱二极管器件133发出第二调制光；所述第二调制光耦合进所述第二光波导134，并最终被所述第二通信单元22中的另一所述第五量子阱二极管器件133接收；另一所述第五量子阱二极管器件133接收所述第二调制光信号后，将其转换为电信号、并传输至所述控制模块12中的信号处理单元123。通过所述第二通信单元22将传感信息输出，实现终端信息的网络接入，有助于实现规模化生产的自供能物联网芯片。

本具体实施方式中的所述第一量子阱二极管器件111、所述第二量子阱二极管器件131、所述第三量子阱二极管器件141、所述第四量子阱二极管器件151与所述第五量子阱二极管器件133的尺寸虽然可以互不相同，但是可以基于相同的材料、相同的工艺同时制造形成，极易实现规模化的生产，具有广泛的应用前景。

本具体实施方式提供的同质集成光电子装置，通过在衬底上同时形成能源模块和通信模块，所述能源模块中的第一量子阱二极管器件能够将外界环境中的光能转换为电能，并通过位于所述衬底外部的控制模块向通信模块供给电能，实现了光电子装置能源的自供给，从而增强了光电子装置的功能，扩大了光电子装置的应用领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同质集成光电子装置，其特征在于，包括：

衬底；

能源模块，位于所述衬底表面，包括至少一个第一量子阱二极管器件，用于将自外界环境中接收到的光能转换为电能，且所述第一量子阱二极管器件为悬空器件结构，使得所述第一量子阱二极管器件还能够通过压电效应将自外界环境中收集到的振动能转换为电能，提高所述能源模块的电能生产效率；

通信模块，位于所述衬底表面，包括至少一组第一通信单元，所述第一通信单元包括两个第二量子阱二极管器件以及连接于两个所述第二量子阱二极管器件之间的第一光波导；所述第一量子阱二极管器件和所述第二量子阱二极管器件均采用Ⅲ-Ⅴ族材料制造而成，且所述第一量子阱二极管器件与所述第二量子阱二极管器件同步形成，以简化同质集成光电子装置的制造工艺；所述第一量子阱二极管器件与所述第二量子阱二极管器件沿平行于所述衬底的方向排布于所述衬底表面；

控制模块，位于所述衬底外部，且连接所述能源模块和所述通信模块，用于存储来自于所述能源模块的所述电能，并向所述通信模块提供所述电能。

2.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述第一量子阱二极管器件为多个，且多个所述第一量子阱二极管器件呈矩阵排布，构成能源阵列。

3.根据权利要求2所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述能源阵列中的每一行包括多个相互串联的所述第一量子阱二极管器件，且所述能源阵列的各行之间并联。

4.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述第一量子阱二极管器件包括：

第一缓冲层，位于所述衬底表面；

第一P-N结量子阱结构，位于所述第一缓冲层表面；

第一空腔，沿垂直于所述衬底的方向贯穿所述衬底与所述第一缓冲层至所述第一P-N结量子阱结构的底面，使得所述第一P-N结量子阱结构悬于所述第一空腔上方。

5.根据权利要求4所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述第二量子阱二极管器件包括：

第二缓冲层，位于所述衬底表面，且与所述第一缓冲层同层设置；

第二P-N结量子阱结构，位于所述第二缓冲层表面，所述第一P-N结量子阱结构与所述第二P-N结量子阱结构均采用Ⅲ-Ⅴ族材料形成。

6.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述控制模块包括：

储能电容，连接所述能源模块，用于存储所述电能；

二极管驱动电路，连接所述储能电容，用于对来自于所述储能电容的所述电能进行调制后传输至所述通信模块。

7.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，还包括：

照明模块，连接所述控制模块，包括至少一个第三量子阱二极管器件；

所述控制模块还用于向所述照明模块提供所述电能，使得所述第三量子阱二极管器件向外辐射光信号。

8.根据权利要求7所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述第三量子阱二极管器件的数量为多个，且多个所述第三量子阱二极管器件呈阵列排布。

9.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，还包括：

传感模块，连接所述控制模块，包括至少一个第四量子阱二极管器件；

所述控制模块还用于向所述传感模块提供所述电能，使得所述第四量子阱二极管器件检测外界环境中的传感信息。

10.根据权利要求9所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述通信模块还包括至少一组第二通信单元，所述第二通信单元包括两个第五量子阱二极管器件以及连接于两个所述第五量子阱二极管器件之间的第二光波导；

所述第二通信单元的一端连接所述控制模块、另一端连接所述传感模块。

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