2024年，iCANX推出X-Doctor专栏，聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现，每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路，独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力，见证这些创新的力量。
第35期，X-Doctor将带你走近中国科学技术大学孙海定，感受一下他在氮化镓光电领域的探索。
夜深人静，中科大微电子学院的iGaN实验室依然灯火通明。在这里，一位身着白大褂的科研工作者正专注地凝视着显微镜下那微小的氮化镓晶体。他就是孙海定教授，一位在第三代半导体领域孜孜以求的科学探索者。在这个信息技术日新月异的时代，他用执着与创新，在氮化镓的微观世界中书写着属于自己的科学传奇。
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追梦路上，初心不改
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"最初选择研究氮化镓，源于一种对未知世界的好奇和探索欲。"回忆起自己的求学历程，孙海定教授眼中闪烁着追求真理的光芒。从华中科技大学求学时期开始，他就对半导体材料产生了浓厚的兴趣。在恩师刘胜教授的指导下，年轻的孙海定开始了他的科研之旅。
怀揣着对科学的热爱，他远渡重洋，来到波士顿大学深造。在这里，他遇到了将对他影响深远的导师Dr. Theodore D. Moustakas。"Moustakas教授不仅教会了我专业知识，更教会了我如何做一名真正的科学家。"孙海定说，正是在这位世界著名的氮化镓专家的指导下，他开始逐渐形成了自己的研究特色。
漂泊异国他乡的日子并不轻松，但对科学的热爱支撑着他不断前行。在墨西哥SolarEver公司和沙特KAUST大学的工作经历，让他的研究视野更加开阔，也积累了丰富的实践经验。
2018年，孙海定回到了中国科学技术大学微电子学院，担任特任研究员和博士生导师。他带领自己的科研团队——iGaN Lab，开始了氮化镓材料和器件的深入研究。
iGaN，i寓意着想象力（imagination）、创新力（innovation）和重要性（importance），这也是孙海定教授科研理念的生动体现。而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。
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探索中的突破
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在氮化镓研究领域，孙海定教授带领团队开辟了多个创新方向，取得了一系列具有国际影响力的突破性成果。他的研究工作犹如在微观世界中绘制的一幅壮丽画卷，每一笔都闪耀着科学的光芒。
开创性的光电神经突触器件研究
"自然界中的生物视觉系统经过亿万年的进化，已经达到了近乎完美的程度。"孙海定说，"我们希望通过模仿生物视觉系统的工作原理，开发出更高效、更智能的光电器件。"在这一领域的探索中，他与武汉大学刘胜院士团队展开深度合作，开创性地提出了利用光电化学器件架构的新思路。
图1：生物视觉系统和光电化学突触的示意图。(a) 生物视觉系统（上）和光电化学突触（下）的示意图。(b) 光电化学突触中通过物理（左）和化学手段（右）调节突触活动的示意图。
团队成功构建了基于氮化镓的新型半导体/电解质异质界面，实现了对神经突触行为的精确模拟。这项成果不仅在国际顶级期刊《自然-通讯》上发表，更引发了学术界对生物启发计算的新思考。"这种器件能够模拟人类视觉系统中的习惯化、学习和记忆等复杂行为，为发展新一代类脑计算系统开辟了新途径。
突破性的深紫外光电器件技术
在深紫外光电器件领域，孙海定教授带领团队攻克了多个技术难关。他们开发的高效DUV微型LED阵列，实现了前所未有的光电转换效率。"这项技术的关键在于首次将深紫外微型发光二极管（micro-LED）阵列作为光源应用于无掩膜深紫外光刻技术，"孙海定指着实验装置说道，"这是一种具有光能量自监测、自校准、自适应能力的三维垂直集成深紫外发光器件阵列，并将它们成功应用于新型无掩膜深紫外光刻技术中。"
图2：（a）深紫外micro-LED与光电探测器（PD）三维垂直集成芯片架构。（b）深紫外LED外延层与薄膜光电探测器截面的扫描电子显微镜图像。（c）基于双面垂直集成器件搭建的具有自校准、自监测功能的稳定发光系统示意图
这项成果在《Laser & Photonics Reviews》上发表后，引起了半导体制造领域的广泛关注。"这项技术也为研制高集成度光子芯片提供了一条新的路径和解决方案，使其能广泛的适用于包含三维集成光电系统、无掩膜光刻在内的各种光电集成系统等应用场景。
革命性的"三电极"光电二极管
在光通信领域，孙海定教授的团队开创性地提出了基于场效应调制的三电极光电二极管概念。这项成果在《 Nature Electronics》上的研究成果，这项成果被选为当期封面。
"传统的光电二极管存在带宽受限的问题，而我们的设计突破了这一限制。"孙海定说，"通过引入第三个电极和场效应调制机制，我们不仅将频带带宽提升了60%，还实现了器件尺寸的大幅缩小。"这项技术在高速光通信和光计算领域具有重要的应用前景。
图 | 本项工作的核心成员 Hunain、余华斌、罗远旻同学（来源：孙海定）
创新性的日盲光通信技术
在日盲光通信系统的研究中，孙海定教授的团队同样有着出色的表现。他们开发的新型光电探测器，在选择性、响应速度和探测灵敏度等方面都达到了国际领先水平。
图3. 生物视觉系统(a)和光电化学神经突触器件(b)对比，以及光电化学器件原型发表于先进材料封面（c）上
"日盲光通信是一个极具挑战性的领域，"孙海定解释道，"我们需要在极深紫外波段实现稳定可靠的信号传输。"团队通过创新性地设计器件结构和优化材料生长工艺，成功突破了多项技术瓶颈。这项成果在第九届国际第三代半导体论坛上引起轰动，获得了业界专家的高度评价。
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育人之道：传承科学精神
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作为一名教育工作者，孙海定教授始终坚持"育人"与"科研"并重。在他的实验室里，经常能看到他和学生们热烈讨论学术问题的场景。"做科研最重要的不是追求论文数量，而是要有独立思考的能力和创新的勇气。"这是他经常对学生说的一句话。
在他的指导下，实验室的年轻人不仅在学术上取得了优异的成绩，更重要的是培养了严谨的科研态度和创新的科学精神。"看到学生们在科研道路上不断进步，这是最让我感到欣慰的事情。"孙海定说。
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未来可期：在科技创新的道路上继续前行
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站在新的历史起点上，孙海定教授和他的团队正在为新的科研目标而努力。"氮化镓材料的应用前景还远未被完全开发，我们还有很多工作要做。"他说，"特别是在光电子和功率器件领域，氮化镓还有很大的发展空间。"
"科学研究就像是在茫茫大海中寻找珍珠，需要耐心、专注，更需要勇气和信念。"这是孙海定教授常说的一句话，也是他毕生践行的科研准则。在氮化镓的微观世界里，他带领着团队不断开拓创新，为中国的半导体科技发展贡献着自己的一份力量。
2022/07/08,孙海定带来了主题为《宽带隙半导体在紫外光发射和探测设备中的应用Wide Bandgap Semiconductors for Ultraviolet Light Emitting and Detecting Devices》扫码可查看回放。
https://wx.vzan.com/live/page/1133346154?v=1656902755979
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