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。