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，對基于高速數(shù)據(jù)傳輸和高性能數(shù)據(jù)計算的半導(dǎo)體芯片需求不斷增長。其中，以光子作為信息載體的光電子集成芯片及其相關(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集成技術(shù)的發(fā)展。

鑒于此，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(tuán)隊合作，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(jìn)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(yùn)行為進(jìn)行有效調(diào)控。此外，團(tuán)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29日作為封面文章在線發(fā)表于國際電子器件頂級期刊Nature Electronics（Nature Electronics 7, 279-287 (2024)）。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授、武漢大學(xué)劉勝院士為論文共同通訊作者。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(diǎn)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)。

小百科1：什么是“PN結(jié)二極管”？

PN結(jié)二極管由P型和N型兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成。P型材料中空穴多而電子少，N型則相反。當(dāng)它們相連時,在交界面會形成一個PN結(jié)。

有意思的是，在沒有外加電壓時，P型區(qū)的空穴和N型區(qū)的電子會在PN結(jié)區(qū)域相互結(jié)合，形成一個“耗盡層”，電子和空穴都難以通過，就像一堵墻一樣。

但當(dāng)在P端加正電壓、N端接地時，這堵“墻”就會變矮，電子和空穴在外加電場的推動下，就能跨過“墻”產(chǎn)生電流。這就是PN結(jié)二極管的整流特性。

而在這項研究中，研究人員在PN結(jié)二極管上引入了第三個電極。通過在第三電極上施加不同的電壓，就可以進(jìn)一步調(diào)控PN結(jié)區(qū)域的電子和空穴的運(yùn)動，就像在“墻”上開了一個可以調(diào)節(jié)高度的“門”。

當(dāng)二極管作為發(fā)光器件時，通過第三電極可以調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度；而當(dāng)其作為光電探測器時，更可以實現(xiàn)不同的邏輯功能，比如與或非門。

小百科2：什么是“光電邏輯門”？

在計算機(jī)和電子系統(tǒng)中，邏輯門是信息處理的基本單元。它們就像是一個個小開關(guān)，通過對輸入信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后輸出結(jié)果。但是，隨著集成電路的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子邏輯門已經(jīng)漸漸達(dá)到了瓶頸。

而這項研究中，研究人員利用新型的三電極光電二極管，實現(xiàn)了一種全新的“光電邏輯門”。

在這種邏輯門中，輸入信號不再是純粹的電信號，而是由光脈沖和施加在第三電極上的控制電壓組成的光電輸入。當(dāng)光脈沖照射到二極管上時，器件產(chǎn)生光電流輸出。而第三電極上的控制電壓，則可以調(diào)節(jié)光電流的大小。

研究人員巧妙地利用這兩種輸入信號，通過調(diào)整控制電壓，成功實現(xiàn)了“與”、“或”、“非”等基本邏輯功能。

器件結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，該器件通過單片集成方法，在GaN基紫外發(fā)光二極管（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-GaN）構(gòu)成的電容器結(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。該器件只需在原來LED上施加偏壓的同時，在第三端口上配置特定的工作電壓，該三端光電二極管就展示出獨(dú)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。

圖1：(a)文章封面；(b)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。圖源：Nature Electronics

基于三電極二級管的光通信系統(tǒng)

當(dāng)三電極二極管作為光發(fā)射器工作時，由于第三端口實現(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(dāng)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2(a)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：圖2(a)中的藍(lán)線顯示了一種帶有偏置分路器的系統(tǒng)配置，其中調(diào)制信號和直流偏置通過傳統(tǒng)的偏置分路器電路組合，并施加于常規(guī)的雙端LED。圖2(a)中的紅線展示了基于三電極LED的系配置，其中調(diào)制信號直接輸入到第三電極中，而直流偏置則施加在LED的正極和負(fù)極上。當(dāng)向LED注入不同電流時，我們比較了兩個系統(tǒng)的-3 dB帶寬（圖2(b)）。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，提升幅度達(dá)到60%，并且在同尺寸的器件中，是最高水平。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)。為了更好地理解三電極LED的通信能力，該系統(tǒng)被用于在無線光通信系統(tǒng)中傳輸100 MHz的正弦信號。如圖2(c)所示，輸出信號波形和發(fā)射信號波形匹配良好，這驗證了三電極LED對于無線光通信系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性和適用性。

圖2：(a) 三電極LED的帶寬測試裝置示意圖，藍(lán)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;(b)不同電流條件下的-3 dB帶寬;(c)信號傳輸波形圖；(d) 三電極LED與其他紫外LED的調(diào)制帶寬比較圖。圖源：Nature Electronics

基于三電極二極管的可重構(gòu)光電邏輯門系統(tǒng)

有趣的是，當(dāng)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(jìn)行任何改變。基于通用邏輯門NOR和NAND可以生成任何邏輯布爾表達(dá)式，從而形成完整的邏輯電路。然而，形成傳統(tǒng)的基于硅的雙輸入NOR（紅色，圖3a）和NAND（藍(lán)色，圖3b）邏輯門需要至少四個晶體管。而當(dāng)使用我們的三電極二極管充當(dāng)三端探測器時，這兩個邏輯門可以很容易地基于單個器件實現(xiàn)。這里，輸入1是作為電信號的第三電極輸入，輸入2是作為光信號的光輸入。輸出是基于p和n電極探針測量的光電流來定義的。通過集成第三電極，該三電極二極管可以實現(xiàn)NOR和NAND邏輯功能，而無需改變器件架構(gòu)。因此，基于單個三電極二極管，NOR和NAND門可以分別實現(xiàn)。通過將p–n電壓作為編程輸入來調(diào)制器件的工作模式，圖3c和圖3d分別展示了-6 V和1.5 V下光電流對輸入光強(qiáng)和三電極電壓的依賴性。光電流值高于和低于?3?nA分別用紅色和藍(lán)色標(biāo)記，對應(yīng)于邏輯1和0。此時，?6 V和1.5 V的p–n電壓分別對應(yīng)于NOR和NAND邏輯門。圖中的色差清楚地表明，在相同的輸入光強(qiáng)度和相同的三電極電壓下，可以通過將p–n電壓從正切換到負(fù)來地調(diào)制光電流的大小。   

圖3：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(qiáng)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(qiáng)和三電極電壓的依賴性，對應(yīng)“NAND”邏輯門條件。圖源：Nature Electronics

未來展望

該研究首次提出并實現(xiàn)基于場效應(yīng)調(diào)制的光電二極管，更為重要的是，團(tuán)隊展示了該器件在光通信和光邏輯運(yùn)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。

論文信息

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

文章來源：中國光學(xué)、LightScienceApplications