中國科大提出新型場效應(yīng)調(diào)控光電二極管用于光通信與光計(jì)算

隨著人工智能時(shí)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(jì)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(dòng)電路來實(shí)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(gè)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(gè)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(gè)“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(duì)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。

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(gè)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(gè)具有三個(gè)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(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。首先，當(dāng)三電極二極管作為光發(fā)射器工作時(shí)，由于在第三端口上實(shí)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(shí)，可以與連接了外部偏置器的常規(guī)LED實(shí)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(gè)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(dá)到60%，并且在同尺寸器件中達(dá)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(shí)現(xiàn)了更小體積、更寬帶寬的光通信系統(tǒng)。其次，當(dāng)三電極二極管切換為光電二極管模式工作時(shí)，受第三端口施加的電壓與入射光的同時(shí)控制，可以實(shí)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(shí)無需對器件本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改變，并形成完整的光控邏輯電路。最終，團(tuán)隊(duì)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族化合物）制成的有源光電子集成芯片和器件平臺(tái)上，有助于推動(dòng)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(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;（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(bào)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(gè)器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同功能；（d）基于三電極二極管的NAND門在單個(gè)器件內(nèi)實(shí)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。