隨著人工智能時代的到來和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入發(fā)展，對用于高速數(shù)據(jù)傳輸和高性能數(shù)據(jù)計算的半導(dǎo)體芯片的需求不斷增長。其中，以光子作為信息載體的光電集成芯片及其相關(guān)技術(shù)的潛力正不斷被挖掘和開發(fā)，凸顯出它們在突破現(xiàn)有電子系統(tǒng)技術(shù)瓶頸與極限的可能性。光電二極管作為光電集成芯片中必需的基本元件，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管（LED）、激光器、探測器等。然而，無論是作為發(fā)光單元還是探測單元的光電二極管，均需配置相應(yīng)的外部驅(qū)動電路來實現(xiàn)電信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換，這一傳統(tǒng)模式極大地限制了整個光電系統(tǒng)的信號傳輸速度和帶寬，也不可避免地增大了系統(tǒng)體積和復(fù)雜度，從而限制了整個光電技術(shù)的集成與發(fā)展。

為此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授iGaN Lab課題組與武漢大學(xué)劉勝院士團隊合作，在國際上首次提出了新型三電極光電PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu)，通過在P型區(qū)域引入“第三電極”，構(gòu)筑載流子調(diào)制新方法，實現(xiàn)了第三端口外加電場對二極管光電特性的有效調(diào)控。該三電極光電二極管將傳統(tǒng)的光電二極管與一個“金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）”結(jié)構(gòu)進行巧妙而又緊湊的片上器件集成，從而利用外加電場對二極管發(fā)光或探測過程中的載流子輸運行為進行有效調(diào)控。此外，團隊還基于該新型光電二極管構(gòu)建了光通信系統(tǒng)和可重構(gòu)光電邏輯門系統(tǒng)，為開發(fā)下一代光電集成芯片提供了一種全新的器件架構(gòu)和系統(tǒng)解決方案。相關(guān)研究成果以《A three-terminal light emitting and detecting diode》為題，于2024年4月25日在線發(fā)表于國際電子器件知名期刊《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics7, 279-287 (2024)），并被雜志主編Owain Vaughan推選為封面論文發(fā)布。這是繼2021年孫海定教授iGaN課題組發(fā)表中國科大第一篇Nature Electronics 4, 645-652(2021)）之后，再次將基于氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體的光電芯片相關(guān)研究成果發(fā)表在該期刊上。中國科大微電子學(xué)院博士生Muhammad Hunain Memon和余華斌為論文共同第一作者。

Nature Electronics的封面如下圖1（a）所示，該器件通過單片集成方法，在GaN基紫外LED的P型導(dǎo)電層上制備了一個由金屬-氧化物絕緣體（Al2O3）-半導(dǎo)體（p型GaN）構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)筑了一個具有三個端口的發(fā)光二極管并配以新器件的符號。該三端光電二極管展示出獨特的工作模式和狀態(tài)：可以作為可調(diào)諧光發(fā)射器或多功能光電探測器。首先，當三電極二極管作為光發(fā)射器工作時，由于在第三端口上實現(xiàn)了集成“偏置器”功能，即輸出光功率可以受第三電極的偏置電壓調(diào)控，因此，當它被接入到光通信系統(tǒng)中時，可以與連接了外部偏置器的常規(guī)LED實現(xiàn)相同的功能。圖1（b）展示了兩種不同的系統(tǒng)配置，一種采用常規(guī)的雙端LED，另一種采用三電極LED。通過比較了兩個系統(tǒng)的-3 dB帶寬，與采用外部偏置器的系統(tǒng)相比，三電極二極管具有更高頻帶帶寬（圖1（c）和1（d）），提升幅度達到60%，并且在同尺寸器件中達國際最高水平（圖（1e））。這種三端二極管的提出，減少了光通信系統(tǒng)中對外部偏置器電路的需求，實現(xiàn)了更小體積、更寬帶寬的光通信系統(tǒng)。其次，當三電極二極管切換為光電二極管模式工作時，受第三端口施加的電壓與入射光的同時控制，可以實現(xiàn)可重構(gòu)的高速光電邏輯門，例如“NAND”和“NOR”等，而且在切換不同的邏輯門時無需對器件本身的結(jié)構(gòu)進行任何改變，并形成完整的光控邏輯電路。最終，團隊展示了該器件在光通信和光邏輯運算中的巨大應(yīng)用潛力。由于該器件結(jié)構(gòu)和制作工藝十分簡單，該新型場效應(yīng)調(diào)控光電二極管架構(gòu)的提出，可被廣泛應(yīng)用于其他由各種半導(dǎo)體材料（例如II-IV、III-V族化合物）制成的有源光電子集成芯片和器件平臺上，有助于推動下一代高速和多功能光電集成芯片的發(fā)展。

圖1.（a）文章封面、三電極發(fā)光和探測二極管的結(jié)構(gòu)示意圖和對應(yīng)的新器件符號；（b）三電極LED的帶寬測試裝置示意圖，藍線代表帶有外部偏置器系統(tǒng)配置，紅線代表只使用三電極LED的系統(tǒng)配置;（c）不同電流條件下的-3 dB帶寬;（d）將三電極LED應(yīng)用在光通信系統(tǒng)中的調(diào)制帶寬相較于其他報道的同類型LED性能對比圖。

圖2.（a）傳統(tǒng)的NOR邏輯門（b）傳統(tǒng)的NAND邏輯門；（c）基于三電極二極管的NOR門在單個器件內(nèi)實現(xiàn)相同功能；（d）基于三電極二極管的NAND門在單個器件內(nèi)實現(xiàn)相同的功能；（e）在-6 V偏置條件（p-n-電極）下，光電流對輸入光強和三電極電壓的依賴性，對應(yīng)“NOR”邏輯門條件；（f）在1.5 V偏置條件（p-n-電極）下，光電流對輸入光強和三電極電壓的依賴性，對應(yīng)“NAND”邏輯門條件。

此項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、中科大雙一流建設(shè)經(jīng)費、中央高�；�本科研基金等專項經(jīng)費的資助，也得到了中國科大微電子學(xué)院、中國科學(xué)院無線光電通信重點實驗室、集成電路科學(xué)與工程安徽省重點實驗室、中國科大微納研究與制造中心和中國科大信息科學(xué)實驗中心的支持。特別感謝基金委國家重大科研儀器研制項目（部門推薦），以及中國科學(xué)院“一帶一路”國際科學(xué)組織聯(lián)盟獎學(xué)金（ANSO獎學(xué)金）對本工作的大力支持。中國科大孫海定教授、武漢大學(xué)劉勝院士為論文共同通訊作者。中國科大微電子學(xué)院左成杰教授、中國科學(xué)院無線光電通信重點實驗室龔晨教授、復(fù)旦大學(xué)沈超研究員、澳大利亞國立大學(xué)傅嵐教授和沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)Boon Ooi教授等參與了項目的聯(lián)合攻關(guān)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01142-y