CN110568216B - 同质集成光电子装置 - Google Patents

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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，包括激光发射器、聚光单元、第一量子阱二极管和储能电容；所述聚光单元用于将所述激光发射器发射的第一光信号汇聚至所述第一量子阱二极管；所述第一量子阱二极管用于将接收到的所述第一光信号转换为第一电信号后存储于所述储能电容中，以向传感模块供能；传感模块，用于将外界的传感信号转换为第二电信号。本发明提高了光电子装置的集成度，改善了光电子装置的性能。

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
中国的IT产业已经进入快速发展时期，这一点已成为人们的普遍共识。在信息产品市场的拉动下，电子信息材料产业也将获得持续较快的增长。电子信息材料业在IT产业中乃至整个国民经济中的地位将会进一步上升。据信息产业部的统计，早在2005年中国电子信息产品市场的总规模就已经达到2万亿元人民币，这大约相对于全球市场总规模的13％。巨大的市场需求，将拉动中国信息产业快速发展。在此背景下，我国信息材料业的未来商机首先来自半导体材料市场。当今全球最大、最重要的信息材料细分市场就是集成电路，而集成电路的99％以上都是由硅材料制作的。半导体材料在信息设备中的价值含量已达20％，并且还在继续上升。以氮化镓为代表的第三代半导体材料的出现，将使现有的硅基芯片像氮化镓芯片发展。
集成光学最早是由美国贝尔实验室的Tamir和Miller等人提出来的，希望利用微纳米加工技术，将大量多功能元器件集成于同一衬底上，从而提高光信息处理的能力。光子集成器件是集成光学必不可少的基本组成元素，其定义为至少集成两种功能性的光子器件，其主要作用是对可见光波段或者是近红外波段的信息进行调控，常应用于光纤通信、光子计算机、光网络和生化检测等领域。光子集成器件以三五族半导体材料为主，可集成在硅晶圆上，具有可同时将有源和无源的光子器件单片集成的优势。
单片光子集成是光电子器件最重要的发展趋势，可以在单晶圆上执行，也可以在多晶圆中执行。单片工艺对于实现光电集成电路的最高速度和性能以及确保稳定性和高机械可靠性也至关重要。目前制约多功能集合芯片的主要因素就是集成度不高，诸多材料、结构和工艺的兼容性等基础问题都迫切需要解决。
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集成度较低、性能较差的问题。
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，包括激光发射器、聚光单元、第一量子阱二极管和储能电容；所述聚光单元用于将所述激光发射器发射的第一光信号汇聚至所述第一量子阱二极管；所述第一量子阱二极管用于将接收到的所述第一光信号转换为第一电信号后存储于所述储能电容中，以向传感模块供能；
传感模块，位于所述衬底表面，包括第二量子阱二极管和第三量子阱二极管；所述第二量子阱二极管用于根据外界的传感信号发射第二光信号，所述第三量子阱二极管用于检测所述第二光信号并将其转换为第二电信号。
优选的，所述能源模块包括多个相互串联的所述第一量子阱二极管。
优选的，还包括：
照明模块，位于所述衬底表面，包括第四量子阱二极管；所述能源模块还用于向所述照明模块供能，使得所述第四量子阱二极管向外界发射用于照明的第三光信号。
优选的，所述第二电信号为电流信号；所述传感模块还包括处理单元，所述处理单元包括：
流压转换电路，连接所述第三量子阱二极管，用于将所述第二电信号转换为电压信号；
放大电路，连接所述流压转换电路，用于放大所述电压信号。
优选的，所述处理单元还包括：
采样电路，连接所述放大电路，用于周期性的对放大后的所述电压信号进行采样，获得多个采样信号；
预均衡处理电路，连接所述采样电路，用于对多个所述采样信号进行平均处理后输出。
优选的，所述传感模块还包括：
可视化单元，连接所述预均衡电路，用于对所述预均衡电路的输出信号进行可视化处理，以显示所述传感信息。
优选的，所述传感信息为风速信息。
优选的，还包括通信模块，所述能源模块还用于向所述通信模块供电；所述通信模块包括：
发送单元，包括第五量子阱二极管，用于向外界发射携带有第一多媒体信息的第四光信号；
接收单元，包括第六量子阱二极管，用于接收来自外界、且携带有第二多媒体信息的第五光信号。
优选的，所述发送单元还包括T型偏置电路；所述T型偏置电路包括：
与直流端口连接的馈电电感，所述直流端口用于添加直流偏置信号，并通过所述馈电电感防止来自于交流端口的交流信号泄露到所述储能电容；
与交流端口连接的阻挡电容，所述交流端口用于输入交流信号，并通过所述阻挡电容阻挡所述直流偏置信号。
优选的，所述第二量子阱二极管包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的缓冲层、下接触层、量子阱层和上接触层，一空腔沿垂直于所述衬底的方向贯穿所述衬底、所述缓冲层至所述下接触层的底面。
本发明提供的同质集成光电子装置，通过在衬底上同质集成能源模块与传感模块，所述能源模块中的第一量子阱二极管能够将激光发射器发射的激光转换为电能进行存储，以向所述传感模块供电，从而无需为所述传感模块额外再设置供电电源，提高了光电子装置的集成度，改善了光电子装置的性能。
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结构框图；
附图2是本发明具体实施方式中能源模块的电路结构示意图；
附图3是本发明具体实施方式中处理单元的电路结构示意图；
附图4是本发明具体实施方式中预均衡处理电路的处理流程图；
附图5是本发明具体实施方式中可视化单元的处理流程图；
附图6是本发明具体实施方式中T型偏置电路的结构示意图。
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结构框图。如图1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；
能源模块10，位于所述衬底表面，包括激光发射器101、聚光单元102、第一量子阱二极管103和储能电容104；所述聚光单元102用于将所述激光发射器101发射的第一光信号汇聚至所述第一量子阱二极管103；所述第一量子阱二极管103用于将接收到的所述第一光信号转换为第一电信号后存储于所述储能电容104中，以向传感模块11供能；
传感模块11，位于所述衬底表面，包括第二量子阱二极管111和第三量子阱二极管112；所述第二量子阱二极管111用于根据外界的传感信号发射第二光信号，所述第三量子阱二极管112用于检测所述第二光信号并将其转换为第二电信号。
具体来说，所述聚光单元102可以包括透镜等聚光元件，设置于所述激光发射器101的出光面与所述第一量子阱二极管103的入光面之间，以提高光线利用率，减少能源损失。所述激光发射器101发射激光信号(即所述第一光信号)被所述聚光单元102汇聚后射入所述第一量子阱二极管103，所述第一量子阱二极管103将所述激光信号转换为所述第一电信号后存储于所述储能电容104中，以向所述衬底上的其他模块(例如所述传感模块11)供电。所述激光发射器101的电能可以来自于外置电源或者太阳能发电板。
本具体实施方式中所述的传感信息可以是但不限于风速信息。以下以所述传感信息为风速信息为例进行说明。当所述第二量子阱二极管111的材料为Ⅲ族氮化物材料时，当风吹到安装有所述第二量子阱二极管111的传感芯片上时，芯片的薄膜发生形变，由于所述第二量子阱二极管111的压电效应，薄膜的形变进而导致随风速变化的应变电流(即实现薄膜机械能向电能的转化)，应变电流的变化引起所述第二量子阱二极管111发射的所述第二光线的强度变化，通过所述第三量子阱二极管112实时接收所述第二量子阱二极管发射的所述第二光线，并将其转换为第二电信号，从而实现对传感信息的检测。本具体实施方式基于具有悬空薄膜结构的所述第二量子阱二极管111的压电效应和热效应，可以实现对环境中风速变化的感知，进而扩大所述同质集成光电子装置的应用领域。
优选的，所述第二量子阱二极管111包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的缓冲层、下接触层、量子阱层和上接触层，一空腔沿垂直于所述衬底的方向贯穿所述衬底、所述缓冲层至所述下接触层的底面。
通过设置具有空腔的所述第二量子阱二极管111，可以增强其对风压等传感信息的感知性能，从而进一步提高所述同质集成光电子装置的传感信息检测灵敏度。
本具体实施方式中所述的第一量子阱二极管103、第二量子阱二极管111和第三量子阱二极管112,可以均采用Ⅲ-Ⅴ族材料(例如GaN材料)形成，从而进一步改善所述同质集成光电子装置的性能。同时，所述衬底可以为硅衬底，以便于与CMOS工艺兼容。
附图2是本发明具体实施方式中能源模块的电路结构示意图，图2中的箭头表示所述激光发射器101发射的第一光信号。优选的，如图2所示，所述能源模块10包括多个相互串联的所述第一量子阱二极管103。
具体来说，通过在所述能源模块10中采用多个所述第一量子阱二极管103相互串联的结构，可以有效的提高所述第一光信号的收集效率，从而进一步提高能源利用率。所述第一量子阱二极管103的具体数量，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如根据所述储能电容104所能存储的电能的容量进行选择，本具体实施方式对此不作限定。本具体实施方式中所述的“多个”是指两个以上。
优选的，所述第二电信号为电流信号；所述传感模块11还包括处理单元113，所述处理单元113包括：
流压转换电路，连接所述第三量子阱二极管112，用于将所述第二电信号转换为电压信号；
放大电路，连接所述流压转换电路，用于放大所述电压信号。
优选的，所述处理单元113还包括：
采样电路，连接所述放大电路，用于周期性的对放大后的所述电压信号进行采样，获得多个采样信号；
预均衡处理电路，连接所述采样电路，用于对多个所述采样信号进行平均处理后输出。
附图3是本发明具体实施方式中处理单元的电路结构示意图，图3中的PD表示作为光电探测器的所述第三量子二极管。具体来说，由于所述传感模块11中的光电探测器经光电转换产生的电流信号非常小，通过设置如图3中所示的串联电阻R1(阻值为1MΩ)，将电流形式的所述第二电信号转换为电压信号之后，再进行后级放大处理。同时，在LM358的同相输入端接入一个5V的分压电路作为偏置，偏置电压可以通过设置电阻R4与电阻R5的阻值的大小来确定，例如通过调整所述电阻R4与电阻R5的阻值将所述偏置电压设置为10mV。利用叠加原理，可以得到同相输入端的输入信号，经过两级放大(即连续经过图3中的LM358和AD8052放大)后的输出信号Vout可达3V，即两级放大总的放大倍数约为几百倍。在第二级放大的输出端连接有一个由电阻R10与电容C1组成的低通滤波器，用于隔绝高频噪声。
附图4是本发明具体实施方式中预均衡处理电路的处理流程图。在对所述电压形成的第二电信号进行二级放大处理之后，还需要通过所述预均衡处理电路进行AD采样处理和预均衡处理。本具体实施方式中的AD采样处理是将A/D转换电路(模数转换电路)与单片机芯片集合所形成的Arduino Nano开发板，预均衡处理是利用Arduino Nano开发板对AD采样电路的采样信号进行实时处理，其中，波特率为9600(指令为Serial.begin(9600))。为了避免采样的数据不稳定以及误码的突然出现，本具体实施方式采用了如图4所示的预均衡处理的方法，图4中是以对300个采样信号进行预均衡处理为例进行说明。
优选的，所述传感模块11还包括：
可视化单元114，连接所述预均衡电路，用于对所述预均衡电路的输出信号进行可视化处理，以显示所述传感信息。
附图5是本发明具体实施方式中可视化单元的处理流程图。具体来说，本具体实施方式中的所述可视化单元114首先通过MATLAB软件建立单片机与计算机(PC)之间的通信处理通道，然后通过GUI(Graphical User Interface，图形用户界面)设计将后期处理后的图像显示于计算机的显示屏，便于用户查看。
优选的，所述同质集成光电子装置还包括：
照明模块12，位于所述衬底表面，包括第四量子阱二极管121；所述能源模块10还用于向所述照明模块12供能，使得所述第四量子阱二极管121向外界发射用于照明的第三光信号。
通过设置所述照明模块12，使得所述同质集成光电子装置不仅具有传感信息检测功能，还能用于照明，从而进一步扩展了所述同质集成光电子装置的应用领域。所述照明模块12中所述第四量子阱二极管121的具体数量和连接方式，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置，例如根据所需照明亮度的需求进行选择。
优选的，所述同质集成光电子装置还包括通信模块13，所述能源模块10还用于向所述通信模块13供电；所述通信模块13包括：
发送单元，包括第五量子阱二极管131，用于向外界发射携带有第一多媒体信息的第四光信号；
接收单元，包括第六量子阱二极管132，用于接收来自外界、且携带有第二多媒体信息的第五光信号。
附图6是本发明具体实施方式中T型偏置电路的结构示意图。优选的，所述发送单元还包括T型偏置电路；如图6所示，所述T型偏置电路包括：
与直流端口DC连接的馈电电感LBias-T，所述直流端口DC用于添加直流偏置信号，并通过所述馈电电感LBias-T防止来自于交流端口AC的交流信号泄露到所述储能电容104；
与交流端口AC连接的阻挡电容CBias-T，所述交流端口用于输入交流信号，并通过所述阻挡电容CBias-T阻挡所述直流偏置信号。
具体来说，图6中的AC&DC端口用于连接所述第五量子阱二极管131。所述发送单元中的T型偏置电路用于输出驱动电流以驱动所述第五量子阱二极管131发射所述第四光信号。所述馈电电感LBias-T和所述的阻挡电容CBias-T设置，使得所述T型偏置电路输出的驱动电流中既包含直流分量、又包含交流(即所述第一多媒体信息)分量。所述直流分量用于向所述第五量子阱二极管131供电，所述交流分量对应转换为所述第五量子阱二极管131光强的变化。
由于所述接收单元中，所述第六量子阱二极管132接收所述第五光信号后产生的电流信号非常小，因此，在所述接收单元中需要设置流压转换电路以及放大电路，例如也采用LM358进行信号放大，随后将放大的信号接入示波器进行显示。
本具体实施方式提供的同质集成光电子装置，通过在衬底上同质集成能源模块与传感模块，所述能源模块中的第一量子阱二极管能够将激光发射器发射的激光转换为电能进行存储，以向所述传感模块供电，从而无需为所述传感模块额外再设置供电电源，提高了光电子装置的集成度，改善了光电子装置的性能。
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 (8)

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，包括激光发射器、聚光单元、第一量子阱二极管和储能电容；所述聚光单元用于将所述激光发射器发射的第一光信号汇聚至所述第一量子阱二极管；所述第一量子阱二极管用于将接收到的所述第一光信号转换为第一电信号后存储于所述储能电容中，以向传感模块供能；所述激光发射器的电能来自于外置电源或者太阳能发电板；
传感模块，位于所述衬底表面，包括第二量子阱二极管和第三量子阱二极管；所述第二量子阱二极管用于根据外界的传感信号发射第二光信号，所述第三量子阱二极管用于检测所述第二光信号并将其转换为第二电信号；所述第二电信号为电流信号；所述传感模块还包括处理单元，所述处理单元包括：
流压转换电路，连接所述第三量子阱二极管，用于将所述第二电信号转换为电压信号；
放大电路，连接所述流压转换电路，用于放大所述电压信号；
采样电路，连接所述放大电路，用于周期性的对放大后的所述电压信号进行采样，获得多个采样信号；
预均衡处理电路，连接所述采样电路，用于对多个所述采样信号进行平均处理后输出，以避免采样的数据不稳定以及误码的突然出现。
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，所述能源模块包括多个相互串联的所述第一量子阱二极管。
3.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，位于所述衬底表面，包括第四量子阱二极管；所述能源模块还用于向所述照明模块供能，使得所述第四量子阱二极管向外界发射用于照明的第三光信号。
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，所述传感模块还包括：
可视化单元，连接所述预均衡处理 电路，用于对所述预均衡处理 电路的输出信号进行可视化处理，以显示所述传感信号 。
5.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述传感信号 为风速信息。
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，还包括通信模块，所述能源模块还用于向所述通信模块供电；所述通信模块包括：
发送单元，包括第五量子阱二极管，用于向外界发射携带有第一多媒体信息的第四光信号；
接收单元，包括第六量子阱二极管，用于接收来自外界、且携带有第二多媒体信息的第五光信号。
7.根据权利要求6所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述发送单元还包括T型偏置电路；所述T型偏置电路包括：
与直流端口连接的馈电电感，所述直流端口用于添加直流偏置信号，并通过所述馈电电感防止来自于交流端口的交流信号泄露到所述储能电容；
与交流端口连接的阻挡电容，所述交流端口用于输入交流信号，并通过所述阻挡电容阻挡所述直流偏置信号。
8.根据权利要求1所述的同质集成光电子装置，其特征在于，所述第二量子阱二极管包括沿垂直于所述衬底的方向依次叠置的缓冲层、下接触层、量子阱层和上接触层，一空腔沿垂直于所述衬底的方向贯穿所述衬底、所述缓冲层至所述下接触层的底面。
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