微电子科学与工程，光电信息科学与工程，通信工程，你知道多少

电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科，主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成，电子和信息工程方面的较宽口径专业。

如同机械二字一样，单说电子二字，涉及的内容也很多，常让人搞不明白，对电子信息类专业一头雾水。按照教育部的专业分类，电子信息类的基本专业有6个，分别是：

电子科学与技术（注：可授工学或理学学士学位）；

微电子科学与工程（注：可授工学或理学学士学位）；

光电信息科学与工程（注：可授工学或理学学士学位）；

电子信息工程（注：可授工学或理学学士学位）；

通信工程；

信息工程。

从括弧中的注解中可以看出，有4个电子信息类专业可以授予工学学士学位，也可以授予理学学士学位，而前面所述的机械类专业统统授予工学学士学位。授予理学学士学位的专业更强调理论性，也就是有理论开拓性，还属于新兴学科，说不定能够获得诺贝尔物理学奖，而机械类专业的理论性在现在看来不是很强，具有里程碑意义的牛顿的三大定律也好几百年了，机械理论方面的研究不再有什么太大的突破，不可能获得诺贝尔奖，但应用性很强，统统授予工学学士学位就可以了。

注意，计算机科学与技术等专业不属于电子信息类专业，属于计算机类。

现在先看看电子科学与技术专业。

电子信息类的电子科学与技术是一级学科，它包含4个二级学科，分别是：物理电子学、电路与系统、微电子学与固体电子学、电磁场与微波技术。这4个二级学科都不是本科专业，是研究生专业，即研究生的研究方向。本科专业名就是电子科学与技术，是以一级学科名称作为本科专业，就像把一级学科机械工程作为本科专业一样。也就是说，本科专业名称可以是一级学科名称，也可以是二级学科名称，也可以另起名称。电子信息类的6个本科专业只有电子科学与技术是一级学科名称，其他5个专业都是另起名称。

电子科学与技术本科专业是从微观和小尺度去研究电子的原理和特性，主要有两个研究方向，微电子和光电子。微电子方向就是从物理的角度和层次去研究电子的原理和特性，因此该专业可能学习相关物理的课程比较多，特别是在综合性大学和物理是强项的大学，要学物理学、量子力学、电动力学、半导体物理、固体物理、半导体器件等课程，当然也学习电子类的三大主课，即电路、数字电子技术和模拟电子技术，也学一些其他应用型课程，但总的情况是偏理论和物理，偏电子材料，也就是半导体材料。电子科学与技术研究的主要目的是制作出电子器件，如半导体器件和集成电路等。如果电子科学与技术偏光电子方向，则主要研究光电子器件及其应用，如激光器、光成像、光传感、光通信器件和光电集成器件及系统等，具有理论性和应用性相结合的特点，同时研究电子或光电子器件的工艺技术，即加工、组装技术。除了微电子和光电子两个方向外，还有信息显示、光纤通信和应用电子方向。

还真有不少科学家在电子科学与技术方面获得诺贝尔奖，当然是物理学诺贝尔奖，像爱因斯坦（Albert.Einstein）的光电效应，中国香港科学家高锟（Charles K.Kao）的光纤通信，美国科学家维拉·博伊尔（Willard S.Boyle）和乔治·史密斯（George E.Smith）的成像半导体电路即电荷耦合器件图像传感器（CCD），日本科学家赤崎勇、天野浩和日裔美国科学家中村修二的蓝光二极管等。

你想学电子信息类专业，并有志气和远大抱负，不妨读电子科学与技术专业。

电子科学与技术专业包含多个专业方向，到底某所大学的该专业方向是什么？要到该大学的网站上去查证，看其专业介绍，看其所开的课程更能说明问题。遇到该校的招生顾问，可以咨询一下，由于大学专业繁多，专业方向更多，不是该专业方向的招生顾问不一定很清楚，尽可能收集更多的信息，仔细斟酌比较。

微电子科学与工程是电子信息类的另一个专业，既然叫微电子，加了一个限定字“微”，其研究内容相对电子科学与技术要少很多，用“微”字给限制住了。“科学”指的是理论研究，“工程”指的是设计和制造，怎么把理论上的东西设计制造出来。微电子科学与工程专业主要学习物理、固体物理、半导体物理、固体电子学、电路、模拟电子、数字电子、信号与系统、微电子器件、微电子集成电路、集成电路设计与制造、电子设计自动化、集成电路CAD等课程，少了光学方面的课程。你打开自己的电脑，主要的核心部件就是常说的主板，主板上的一个个深灰色或黑色的部件多是集成部件，即集成电路部件，学习微电子科学与工程就是研究、设计和制造这些集成电路部件。当然，集成电路部件的应用面很广，手机、数字照相机、医疗设备、自动洗衣机、电视机等，几乎带点智能和自动化的家电、娱乐设备、交通设备和工业设备等都要用到芯片，即集成电路或微电子器件，名称不同，意思基本一样。有人说，集成电路是工业的大脑和粮食，一点也不过分。集成电路或芯片还是维护国家安全和经济安全的重要的产品，最先进的技术和设备是买不进来的。

2016年，中国集成电路进口达到3425亿美元，接近于同期原油进口额（2270亿美元）的两倍，而集成电路出口额约为614亿美元，存在很大逆差。这说明，中国作为全球信息产业基地，虽然已在一定程度上满足了自身对集成电路的需求，并开始参与国际市场竞争，但是总体而言，依然缺乏高端芯片产品，不过也同时说明我国芯片产业有很大的发展潜力。

微电子芯片的制造是当今世界微细加工的皇冠，集微细加工技术之大成。目前的加工微细度达到了10纳米，正在朝着7纳米、5纳米前进。注意：1纳米就是0.000001毫米，比细菌还小，仅是原子直径的4倍大小。而且三维立体结构的芯片又是下一个芯片的发展方向。

2017年6月发布的国际超级计算机排名中，中国“神威·太湖之光”再次夺冠，其核心运算芯片是地道的“中国芯”，在其小小薄块上，集成了260个运算中心，数十亿晶体管。其单芯片计算能力相当于3台2000年世界顶级超算计算机。除了神威之外，中国还拥有了龙芯、海思、展讯等一批知名芯片公司，其产品逐渐被中外用户认可和大规模使用。

你在电视里看到的全身穿防护服，连头都包起来的工作车间，很可能是集成电路的加工车间。集成电路的加工车间要求恒温、超纯净，人呼出的气体都是污染，所以要穿包头的防护服。之所以叫防护服，除了防止灰尘污染被加工的集成电路外，还要防止在加工集成电路的过程中，有毒微尘被人吸入口中，是双向防护。因为加工集成电路用的半导体材料含有砷等有毒成分，所以，在这种场合工作要有认真负责的态度，不能有半点马虎。

芯片或集成电路或微电子器件的出品包括设计、制造、封装和测试这四个主要步骤。

微电子芯片的制造设备是高精尖设备，需要机电微控制和测量检测系统和成套集成技术，制造难度相当大。

我国针对微电子芯片的研究和制造颁布了多个鼓励性的文件、规划和纲要，投资力度很大，首期规模为1200亿元的国家集成电路产业投资基金于2014年到位，目的是集中国家的力量办大事，现在已取得了骄人的进步，到2020年，最先进的成套微电子芯片成套设备将形成产业化，到2030年，基本达到微电子芯片设计制造技术的第一梯队。

在设计和生产集成电路芯片方面，我国起步较晚，现在正全力追赶。在微电子科学与工程方面较强的国家是美国、日本和韩国，我国的台湾省紧随其后。像美国的IBM公司、英特尔公司、德州仪器、高通公司、韩国的三星公司等都是独霸一方的微电子大公司，垄断着微电子和集成电路方面的高端技术和设备。

现在把芯片植入人体的研究很吸引人们的眼球，在人的手背植入一块很小的微电子芯片，就可以代替信用卡等各种证件，挥一下手就完成购物支付了，钱包都要淘汰了，手机也不用拿出来。微电子科学与工程在未来的几十年中在工业、社会和生活中将会扮演更惊奇的角色。

光信息科学与工程专业顾名思义是研究“光”的，利用光去采集信息、传输信息和显示信息。光信息科学与工程比电子科学与技术研究的问题范围更宽，学习起来也要有所偏向。

如果一所大学微电子方向实力较强，也就是师资力量和研究实验设备较强，可以设立微电子科学与工程专业；同样，如果一所大学光信息（光电子）方向较强，可以设立光信息科学与工程专业；如果哪一个方向都不是很强，各方向都有一点师资和设备，叫电子科学与技术更合适。注意，有的大学为增加专业数量，显得好看和吸引考生，有可能设置几个几乎相近的专业，如设置电子科学与技术专业（偏微电子），还设置微电子科学与工程专业，考生要注意辨别。

再说光信息科学与工程专业，这是一个比较正规的专业名称，以前有的大学叫光电信息工程或光信息科学与技术等。

光信息科学与工程专业在大学中可以有以下培养方向：

光学/光电仪器——其中的理论和仪器帮助人们提高辨识度或看得更远。它包括光学/光电仪器的结构设计，光学镜头的设计与加工工艺、光学系统的设计等，包括各种专用光学仪器；如照相机、摄像机，显微镜，军用望远镜、瞄准仪等，测量光学仪器，天文光学仪器，物理光学仪器等。我国发射的对地观测卫星，可以分辨地球表面一米大小的物体，对于观测战场状况，评估地震、森林火灾和洪水灾害等的损失程度、城市交通拥堵情况等都有重要意义。

光子学技术——利用光子原理或光电相互作用原理的器件。它包括各种激光器，光电器件及红外探测器，光电成像器件，红外与夜视技术，超高速摄影，光阀，发光光源，短波及X射线光学等。

信息光学技术——主要研究光信息的产生、传输、转换、处理及图像显示技术。它包括光信息及图像处理术，图像及模式自动识别，全息术，自适应光学技术，光传输及通信技术，光学遥感技术，目标及传输特征数据库，光计算术等，我们家里的平板电视、手机等的屏幕都是光电显示的应用，现在全球很火的VR技术，即虚拟现实技术就属于这一类光信息技术，还有我们在家上网用的宽带光纤、光猫等也是这类技术。

光学技术及工程——主要研究聚能技术，光能应用，光加工及有关工程。如激光武器工程，就是发射出超强的激光束，通过对准并烧伤敌人的飞机、导弹等使其被击落或失效；激光加工就是激光在金属上打孔、激光切割金属、激光焊接等；光刻技术就是用激光在金属上雕刻出各种图案，微小的雕刻就是集成电路芯片的加工；现在比较火的3D打印技术也是用激光进行熔化金属材料才成型的。其他还有激光核聚变，照明工程，光学材料、薄膜、工艺、特殊光器件，微机械中的微光学技术等。

光电交叉学科——主要研究光与物质如人的作用、新型光电材料、生物医学光学、视光学、能量学科与光电学科的交叉、环境学科与光电学科的交叉、海洋学科与光电学科的交叉等。

实际上，我国在世界领先的量子通信技术，也与光信息科学与工程专业的理论有密切的关系。

比较电子科学与技术、微电子科学与工程、光信息科学与工程，电子科学与技术专业的知识面更基础，更全面，有点全能的意思；后两个专业则更有针对性，知识面相对较窄，就业面也较窄。

电子信息工程专业顾名思义更倾向于工程，也就是更倾向于应用。主要是如何获取信息和处理信息，如何设计信息系统和相关的电子设备（仪器）。该专业需要学习电子技术、信息技术和计算机技术等，需要掌握电子系统的设计原理和开发技术。具体说就是电子信息工程的含义就是要设计和做出一个看得见、摸得着的电子产品，如电视机、计算机、收音机、手机、病人监护仪、示波器等，凡是有线路板的电子设备或仪器都是电子信息工程专业要研究的。电子信息工程专业的毕业生就业面最广，你想，不论什么设备基本都有线路板，如卫星、飞机、汽车、轮船、机床、游戏机、通信设备、广电设备、各种家电等。

电子信息工程专业所学的知识面较宽，应用性强，就业面相应也宽。

如果把电子科学与技术、微电子科学与工程和光信息科学与工程看作是纺线和织布，电子信息工程就是设计和制作服装，利用各种布料和线设计制作出五花八门的服装，让不同层次和爱好的人选购。

通信工程是一个偏应用型的专业，它更关注信息的快速和大容量的传输及信号的处理，信号包括文字信号、图形信号、语音信号和视频信号，通信的安全技术或者说保密技术也是其中的重要内容。通信工程已经有了很热的发展，但仍然有很大的发展空间，我国领先研究和实验的量子通信技术就是一个很热门的方向，得到了国家的大力支持。

目前热门的通信技术有数字移动通信、光纤通信和网络通信技术，通信工程就是研究这些方面的通信技术、通信系统和网络。通信工程的主要工作是设计制造通信设备、设计通信系统与网络和编制通信软件。通信工程要求掌握好计算机技术，尤其是在软件设计和编制方面要熟练。

信号处理技术也是通信工程的一个重要研究内容。我们在电视的法制节目中常听到经过处理后证人变调的说话声，或看到打了马赛克的模糊图像，这些都用了信号处理技术。但多数情况下是如何让声音或图像更清楚、更好听或更漂亮。

我国开设通信工程专业的大学很多，学习通信工程就业市场也竞争激烈，关键还是要真正学到其中的关键技术或技能，但最能提高就业能力的还是提高英语和计算机的水平，因为通信工程对英语水平和计算机水平要求更高，把编程能力提高，如把C语言吃透练熟对就业很有帮助，英语过6级就更好了。

学习通信工程除了从事本专业技术工作外，还可以从事通信市场的开发、通信设备的销售和维护等工作，称为市场开发工程师、销售工程师和运维工程师等。我国通信方面的基站、光纤布点和铺设基本完成，在这方面的技术工作和市场主要在国外，即第三世界国家和一带一路国家。我国在非洲正在大力开拓通信市场，有些非洲国家的通信由我国独自承包，如埃塞俄比亚等，我国与巴基斯坦的“中巴经济走廊”项目规模达450亿美元，其中就有光纤通信等通信项目。我国在这方面的世界级大公司有中国电信和联通，还有中兴和华为，其中中兴和华为有数万名技术和销售工程师工作在世界五大洲。

而电子科学与技术、微电子科学与工程、光信息科学与工程主要研究的是电子理论和电子器件，毕业生主要从事技术工作，市场和销售任务与通信工程比要小很多，也就没有更多的销售工程师和运维工程师等。

信息工程专业强调的是信息的获取和处理，主要研究信息系统和控制系统的原理、设计和应用。比如，高铁的运行系统就是一个信息系统，同时也是一个控制系统，设在上海的中国高铁运行中心就有三个足球场大小，有数千台计算机在监视着全国高铁的运行；飞机、宇宙飞船里面也有自己的信息系统和控制系统，受一台主计算机控制；飞机与机场、雷达站等也组成一个更大的信息系统；宇宙飞船与发射场、着陆场、地面控制中心等也形成一个信息系统和控制系统；国家的天气监测和预报系统也是一个信息系统等。在小的方面，家里的智能洗衣机也是一个信息系统、家里的楼宇对讲和门禁系统也是一个信息系统；医院里的病人监护系统也是一个信息系统等。

学习研究信息工程，需要学习电子技术、信息理论和控制理论，但更偏向于整个系统的分析、设计和开发。由于计算机计算和控制能力的强大，在信息工程专业中，要求更好地掌握计算机技术及编程技术，该专业对数学能力和抽象、逻辑思维能力要求较高。

控制理论不属于电子信息类专业，属于控制理论与工程类专业，因此，信息工程专业有交叉学科性质，学习面较宽，培养的层次更高，对学生的综合素质要求也高。

信息工程开设学校较少，专门要该专业毕业生的单位也较少，专业优势不太明显，学习其他相近专业的人通过自学或工作经验的积累也可以从事这方面的工作。也就是说学习信息工程学的知识面较宽，就业面较广，但其他如电子信息工程专业、自动化专业、计算机科学与技术专业等专业的人也可以胜任。

现在看看学习机械工程类与学习电子信息类有什么不同。首先，这两类专业是国家经济发展的基础，应用最广，产业最庞大，需要的人最多。学机械工程类专业需要有很好的空间想象力，学习电子信息类专业要有很好的抽象和逻辑思维能力；学习电子信息类专业要求数学能力相对要高一些，计算机和编程能力也要高一些。电子信息类专业在技术部门有可能工资很高，但学习机械工程类专业在技术部门工资很高的可能性不大。学习机械工程类专业并从事技术工作的稳定性比电子信息类专业要高一些。由于机械类专业的理论性不如电子信息类专业，读机械类本科专业后继续深造如读硕士和博士后的理论能力提高不如电子信息类专业明显。

除了上面所说的6个基本专业外，电子信息类的特设专业还有10个：

电子信息科学与技术（注：可授工学或理学学士学位）；

广播电视工程；

水声工程；

电子封装技术；

集成电路设计与集成系统；

医学信息工程；

电磁场与无线技术；

电波传播与天线；

电信工程及管理；

应用电子技术教育。

在10个特设专业中，电子信息科学与技术专业所学的知识面最宽泛，基本上就是基本专业中的电子信息工程专业。但由于某所大学的专业偏向不同，可能偏一点微电子或光电子等，要注意查证。而应用电子技术教育偏向实用和操作，一般设在职业教育师资类院校，一方面为电子类企业培养人才，一方面为中等学校和职业学院培养理论与技能兼备的师资和实验技术人员。

其他8个特设专业都是针对性和应用性更强的专业，偏向把电子信息技术引用于某一方面。广播电视工程主要为生产广播电视类电子产品的企业培养设计和制造技术人员，也为电台和电视台等培养电子设备维护、更新和改造的专业电子技术人才。水声工程是把电子技术与水面和水下设备结合起来，就是应用在轮船、军舰、潜艇、水雷、鱼雷、水下机器人和渔业生产等设备上，用于探测水下目标、在水下传递信息等，哈尔滨工程大学的水声工程专业在全国领先。电子封装技术主要是为集成电路生产工艺培养人才，集成电路的封装技术很是精密，技术含量很高，是生产集成电路的关键技术。集成电路设计与集成系统是为集成电路设计培养专门人才，在掌握电路、模拟电子技术和数字电子技术等的基础上，运用集成电路设计软件设计各种大小规模的集成电路，该专业与基本专业微电子科学与工程专业相近。

医学信息工程专业与生物医学工程专业相近，也有区别。先说生物医学工程专业，该专业是学习和研究生物体的电子特性，把电子技术应用在人体信息的探测、处理和传输上，从而设计制造出医学诊断、治疗和康复仪器设备；而医学信息工程除了学习生物医学工程专业包含的大部分专业内容外，还要学习医院中的技术和管理信息的采集、传输、处理和集成，用于医院医疗信息的统计和医院的管理、决策。

电磁场与无线技术专业是研究射频无线信号的产生、辐射、传播、散射、接收和处理的相关理论、技术和工程应用的本科专业。我们用的电视机、手机、收音机、遥控器等都是通过电磁场传递信息的。本专业在无线通信、雷达、遥感、无人驾驶汽车、无人飞机、遥测遥控、地球物理探测、电子测量、电子对抗、射电天文、无损探测、医疗监护、人员和车辆定位等方面具有广泛的应用，在军事工业中的应用相当广泛。“电磁场与无线技术”与其他学科的相互融合，已形成了电磁兼容与环境电磁学、生物电磁学、材料电磁学、地震电磁学等新兴边缘学科，表现出该专业具有旺盛的生命力，学习该专业要有很好的数学分析能力。本专业旨在培养具有坚实的电磁场理论与工程基础，较强的射频、微波电路与系统开发能力，也具有很好的通信技术基础的高级工程技术人才。电波传播与天线专业和电磁场与无线技术专业相近，但也有区别，电波传播与天线专业，更强调设备即天线的设计，研究电波的定向传播特性，如雷达天线和射电望远镜天线的设计制造等。位于我国贵州的直径500米的大型射电望远镜，俗称天眼，就是定向接受宇宙电磁波来探测分析来自宇宙深处的信息；隐身飞机的电波吸收特性也是电波传播的研究内容之一。

电信工程及管理专业培养电信行业既懂技术又懂管理的复合型人才，有点像工业工程专业，不再详述。

上述8个特设专业是培养专门人才的专业，开设大学少，招生人数少，就业面不是很大，但都是电子信息类专业，都要学电子信息类的基本课程，像电路、模拟电子、数字电子、电磁场理论等，当然都要学习计算机技术。所以，要辩证地看专业的专与泛的关系，对于本科生来说，学习的还都是基本知识，还可以在读研究生时选择更喜爱的方向，或在工作中从事自己喜爱的研究和工作，大学四年时间很短，学习新知识是终身的过程。

在很多其他国家，大学专业名称很少，就一个机械工程专业就包含了所有的机械类专业的内容，就一个电气工程就包括了电子和电气类专业的全部内容。究竟毕业生学了哪些知识和有哪些技能，不是看毕业证，甚至也没有毕业证，一是看你的成绩单，看你的简历；二是面试你和考试你，按照自己公司的要求出题考试。现在我国大公司招聘也是通过面试和笔试等多个环节，才能确定毕业生是否适合本公司的职位，关键是专业对口和交流能力。考公务员还有专门的申论等考试。找工作除了选对要读的专业外，也有很多专业外的内容，甚至是运气。

中科大团队构筑“三电极”光电二极管，大幅缩小光通信系统体积

“我们首次提出并实现了基于场效应调制的光电二极管，并展示了其在光通信和光逻辑运算中的巨大潜力。” 中国科学技术大学孙海定教授表示。

图 | 孙海定（来源：孙海定）

近日，他和团队的这篇论文发在 Nature Electronics 的当期封面。

其表示：“目前在 Nature Electronics 发表的所有封面论文中，我们发现中国大陆平均 1 年多、甚至有时 2 年左右才会有 1 篇论文被选为封面论文。”

因此，此次封面论文的发布，让整个课题组倍感荣幸和激励。

图 | 封面图片（来源：Nature Electronics）

研究中，课题组通过单片集成的方法，在氮化镓基紫外发光二极管的 p 型导电层上，造出一个由“金属-氧化物绝缘体-半导体”构成的电容器结构。

通过此，他们构筑了一个具有三个端口的发光二极管，并为其配以新器件的符号。

图 ｜三电极发光和探测二极管的结构示意图和对应的新器件符号（来源：Nature Electronics）

在原有发光二极管上施加偏压的同时，当在第三端口上配置特定的工作电压，这款三端二光电极管就能展示出独特的工作模式和状态，从而能够充当可调谐型光发射器或多功能光电探测器。

图 | 将单片集成三电极二极管用于光通信中（来源：Nature Electronics）

当三电极二极管作为光发射器工作时，由于第三端口实现了集成“偏置器”的功能，即输出光功率可以受到第三电极的偏置电压调控。

因此，当它被接入光通信系统之中时，可以与已连接外部偏置器的常规发光二极管实现相同的功能。

与采用外部偏置器的系统相比，三电极二极管由于能够减小寄生电容，因此具有更高频带带宽，提升幅度达到 60%，在同尺寸器件中达到国际最高水平。

孙海定表示，这种三端二极管的面世，不仅减少了光通信系统对于外部偏置器电路的需求，也实现了体积更小、带宽更宽的光通信系统。

图 | 单片集成三电极二极管用于光控逻辑器件（来源：Nature Electronics）

有趣的是，当三电极二极管切换为光电二极管模式工作时，会受到第三端口施加的电压与入射光的同时控制，从而能够实现可重构的高速光电逻辑门，例如“NAND”和“NOR”等。

而且，在切换不同的逻辑门时，无需对器件本身的结构进行任何改变。

基于通用逻辑门 NOR 和 NAND，可以生成任何逻辑布尔表达式，这时只需利用同种器件就能形成完整的逻辑电路。

研究中，他们不仅实现了性能提升，而且基于单片集成技术将传统光通信系统中的“偏置器”集成于器件第三电极，在实现器件通信带宽性能提升的同时，也大幅缩小了光通信系统的体积和面积。

这有利于进一步地推动下一代高速、体积小、多功能光电集成芯片和系统的发展。

由于这款器件的结构和制作工艺十分简单，因此本次提出的新型场效应调控光电二极管架构，可被广泛用于由各种半导体材料制成的有源光电子集成芯片和器件平台上，推动下一代高速、多功能光电集成芯片的发展。

突破现有电子系统技术瓶颈与极限

据了解，随着人工智能时代的到来和数字化转型的深入发展，人们对于高数据传输速度和高数据计算性能的半导体芯片需求正在不断增长。

在数据高速传输和处理需求的驱动下，集成电路芯片技术呈现出高集成度和多元化的发展态势。

其中，以光子作为信息载体的光电子集成芯片及其相关技术的潜力，正不断被挖掘和开发。

光电子芯片，是由光电子器件和微电子器件等多种基础元件组合而成的新型芯片架构。

它能将电、光等多种形式的信号进行相互转换、传输和处理，有望与传统集成电路器件相互交融和互补，克服摩尔定律带来的器件物理尺寸极限的限制和瓶颈。

其中，作为光电集成芯片中的必需元件，光电二极管已被广泛用于发光单元和探测单元。

然而，现有的光电二极管，均需配置相应的外部驱动电路，只有这样才能实现电信号和光信号之间的转换。

这一架构极大地限制了整个光电系统的信号传输速度和带宽，也不可避免地会增大系统的体积和复杂度，以至于限制了光电技术的集成与发展。

因此，如何打破传统模式，突破现有电子系统技术瓶颈与极限，已经成为光电集成领域的研究焦点。

巴基斯坦留学生几年未回祖国，国内同学临过年才走

多年来，孙海定一直深耕氮化镓材料和器件领域，并努力研究它们在固态照明、显示成像和探测等领域的应用。

同时，他和课题组也非常关注该类技术在新兴光电集成及光通信、光计算等领域的拓展。

而当研究基于紫外微型发光二极管的日盲光通信系统时候，在搭建和测试过程中他们发现光信号发射模块中的偏置器（bias-tee），对于信号的有效传输至关重要。

为了满足系统搭建的需求，该团队尝试了市面上所有型号的偏置器。

但是，庞大的系统搭建起来总是非常麻烦，而且对于整个系统的调制带宽性能来说，它很容易受到偏置器这一模块质量好坏的影响。

有一天，他们坐在一起讨论如何简化和优化日盲光通信系统。

这时，孙海定和学生余华斌、以及来自巴基斯坦的留学生穆罕默德·胡纳因·梅门（Muhammad Hunain Memon）突然脑洞大开：考虑到偏置器本身就是一个“元件或电路模块”，能否通过单片集成技术将偏置器直接集成到发光二极管光源上？

然而，直接在氮化镓晶圆上实现偏置器功能的电容和电感电路似乎并不高明，因为这种方案会让芯片制备工艺变得复杂，而且电容和电感的性能也无法保证，同时也会严重影响光通信质量。

突然，余华斌随口说道：“为什么要那么复杂？为什么不利用半导体器件中经典的场效应来实现信号调制功能呢？”

此时，孙海定脑海中浮现出将发光二极管结构与一个“新功能电极”（即论文中的“第三个电极”）组合起来的架构。

从传统意义上来说，基于金属-氧化物-半导体（MOS，metal-oxide-semiconductor）这一经典结构的场效应晶体管，本身就能通过有效地控制施加在 MOS 上的电压，实现对于晶体管沟道的开启和关断。

于是他们想到：如果将类似结构与发光二极管结合起来，也许能起到相似的调制作用。

只不过这里是对发光二极管的发光特性进行调控，而这将会产生新的调控机制和现象。

随后，他们立即定下器件结构和制备工艺。很快，课题组造出第一个三电极二极管样品，并验证了样品中第三个电极的调控效果。

尽管这一过程仅仅耗时一个月，然而他们也面临着诸多疑问：这个场效应真的存在吗？调制效果是否是由第三电极漏电导致的？这种调制效果的机理是什么？这个结构真的有应用前景吗？

在本次项目的三年间，他们反复质问自己，并通过实验和测试去回答这些问题。

图 | 本项工作的核心成员 Hunain、余华斌、罗远旻同学（来源：孙海定）

期间，Muhammad Hunain Memon 同学为了测试，没能回过自己的祖国巴基斯坦，余华斌同学总是最后一个过年回家，而在过年期间余华斌则把测试接力棒交给 Muhammad Hunain Memon。

最终，他们研制了多达十几轮的器件工艺，在各种波段的发光二极管结构基础上，不断进行基于第三电极的设计和尝试。

经过大量实验和反复确认，证明第三个电极确实对于发光二极管具有调制效应。

并发现这种具备第三电极的二极管结构，能够利用场效应来调控光生电流。当将其用于光电逻辑门电路之时，还有望为实现光计算提供更好的原型基础逻辑单元。

孙海定补充称：“实验中，我的导师刘胜院士针对一些关键技术细节包括器件电极如何构造、材料生长过程、以及器件的单片集成封装等予以指导，并引导我们进行产业化布局包括专利申请等。”

图 | 刘胜院士（左）指导孙海定（来源：孙海定）

最终，相关论文以《三端发光及检测二极管》（A three-terminal light emitting and detecting diode）为题发在 Nature Electronics[1]。

Muhammad Hunain Memon 和余华斌是共同一作，武汉大学刘胜院士和中国科学技术大学孙海定教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

另据悉，孙海定将自己的实验室起名为“iGaN Laboratory”，也和课题组的初衷和使命紧密相关。

GaN 是氮化镓的化学方程式，孙海定个人认为氮化镓是除了硅以外最完美的半导体材料之一。

而“i”代表的是 imagination 想象力，innovation 创新力，importance 重要性。“这就是我们的 iGaN。YES，We CAN！”孙海定表示。

图 | iGaN 团队，Play Hard，Work Hard！（来源：孙海定）

另据悉，光电芯片及集成作为传统电子集成系统的补充，是孙海定实验室一直以来的深耕方向。

他认为氮化镓是宽禁带半导体领域的“硅材料”，它具备很多硅所不具备的特性比如发光性能，而且可以发从紫外到红外的光。

所以，无论是在光电子领域、还是在传统功率电子领域，氮化镓均能发挥强大的能量。

在光电子领域，氮化镓基蓝光发光二极管的发明改变了人类的照明习惯（替换了传统白炽灯），相关科学家也获得了 2013 年的诺贝尔物理学奖。

但这只是氮化镓光电子产业“发光发热”的开始，未来氮化镓及其相关器件的前景十分明媚。

目前，课题组与氮化镓光电子国内的领军企业也已经展开了相关合作，本次课题也获得了国家级项目的支持（包括国家重点研发计划和国家基金委项目等）。

眼下，他们正在跟业界开展沟通和合作，希望尽快将本次器件和技术加以产业化。

孙海定表示：“我们也希望这项研究能推动下一代高速和多功能光电集成芯片的发展，为光电子、光通讯和光计算等领域带来新的技术解决方案。”

参考资料：

1.Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nat Electron 7, 279–287 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01142-y

运营/排版：何晨龙

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