導 讀

隨著人工智能時代的到來和數字化轉型的深入發展，對基于高速數據傳輸和高性能數據計算的半導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技術的潛力正不斷被挖掘和開發，凸顯出它們在突破現有電子系統技術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，已被廣泛應用于發光二極管（LED）、激光器、探測器等。然而，無論是作為發光單元還是探測單元的光電二極管，均需配置相應的外部驅動電路來實現電信號和光信號之間的轉換，這一傳統模式極大地限制了整個光電系統的信號傳輸速度和帶寬，也不可避免地增大了系統體積和復雜度，從而限制了整個光電集成技術的發展。

鑒于此，中國科學技術大學孫海定教授iGaN Lab課題組與武漢大學劉勝院士團隊合作，提出了新型三電極光電PN結二極管結構，通過在P型區域引入“第三電極”，構筑載流子調制新方法，實現了第三端口外加電場對二極管光電特性的有效調控。該三電極光電二極管將傳統的光電二極管與一個“金屬-氧化物-半導體（MOS）”結構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光或探測過程中的載流子輸運行為進行有效調控。此外，團隊還基于該新型光電二極管構建了光通信系統和可重構光電邏輯門系統，為開發下一代光電集成芯片提供了一種全新的器件架構和系統解決方案。

小百科1：什么是“PN結二極管”？PN結二極管由P型和N型兩種半導體材料構成。P型材料中空穴多而電子少，N型則相反。當它們相連時,在交界面會形成一個PN結。 有意思的是，在沒有外加電壓時，P型區的空穴和N型區的電子會在PN結區域相互結合，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”產生電流。這就是PN結二極管的整流特性。 而在這項研究中，研究人員在PN結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，就可以進一步調控PN結區域的電子和空穴的運動，就像在“墻”上開了一個可以調節高度的“門”。 當二極管作為發光器件時，通過第三電極可以調節發光強度；而當其作為光電探測器時，更可以實現不同的邏輯功能，比如與或非門。

小百科2：什么是“光電邏輯門”？在計算機和電子系統中，邏輯門是信息處理的基本單元。它們就像是一個個小開關，通過對輸入信號進行邏輯運算，然后輸出結果。但是，隨著集成電路的高速發展，傳統的電子邏輯門已經漸漸達到了瓶頸。 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。當光脈沖照射到二極管上時，器件產生光電流輸出。而第三電極上的控制電壓，則可以調節光電流的大小。 研究人員巧妙地利用這兩種輸入信號，通過調整控制電壓，成功實現了“與”、“或”、“非”等基本邏輯功能。

器件結構及工作原理

如圖1所示，該器件通過單片集成方法，在GaN基紫外發光二極管（LED）的p型導電層上制備了一個由金屬-氧化物絕緣體（Al2O3）-半導體（p-GaN）構成的電容器結構，從而構筑了一個具有三個端口的發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特的工作模式和狀態：可以作為可調諧光發射器或多功能光電探測器。

圖1：(a)文章封面；(b)三電極發光和探測二極管的結構示意圖和對應的新器件符號。 圖源：Nature Electronics

基于三電極二級管的光通信系統

當三電極二極管作為光發射器工作時，由于第三端口實現了集成“偏置器”功能，即輸出光功率可以受第三電極的偏置電壓調控，因此，當它被接入到光通信系統中時，可以與連接了外部偏置器的常規LED實現相同的功能。圖2(a)展示了兩種不同的系統配置，一種采用常規的雙端LED，另一種采用三電極LED：圖2(a)中的藍線顯示了一種帶有偏置分路器的系統配置，其中調制信號和直流偏置通過傳統的偏置分路器電路組合，并施加于常規的雙端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的正極和負極上。當向LED注入不同電流時，我們比較了兩個系統的-3 dB帶寬（圖2(b)）。與采用外部偏置器的系統相比，三電極二極管具有更高頻帶帶寬，提升幅度達到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，減少了光通信系統中對外部偏置器電路的需求，實現了更小體積、更寬帶寬的光通信系統。為了更好地理解三電極LED的通信能力，該系統被用于在無線光通信系統中傳輸100 MHz的正弦信號。如圖2(c)所示，輸出信號波形和發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應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，藍線代表帶有外部偏置器系統配置，紅線代表只使用三電極LED的系統配置;(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的調制帶寬比較圖。 圖源：Nature Electronics

基于三電極二極管的可重構光電邏輯門系統

有趣的是，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，可以實現可重構的高速光電邏輯門，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構進行任何改變。基于通用邏輯門NOR和NAND可以生成任何邏輯布爾表達式，從而形成完整的邏輯電路。然而，形成傳統的基于硅的雙輸入NOR（紅色，圖3a）和NAND（藍色，圖3b）邏輯門需要至少四個晶體管。而當使用我們的三電極二極管充當三端探測器時，這兩個邏輯門可以很容易地基于單個器件實現。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NOR和NAND邏輯功能，而無需改變器件架構。因此，基于單個三電極二極管，NOR和NAND門可以分別實現。通過將p–n電壓作為編程輸入來調制器件的工作模式，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分別用紅色和藍色標記，對應于邏輯1和0。此時，?6 V和1.5 V的p–n電壓分別對應于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電壓從正切換到負來地調制光電流的大小。

圖3：傳統的NOR邏輯門（b）傳統的NAND邏輯門；（c）基于三電極二極管的NOR門在單個器件內實現相同功能；（d）基于三電極二極管的NAND門在單個器件內實現相同的功能；（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“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“NAND”邏輯門條件。 圖源：Nature Electronics

未來展望

該研究首次提出并實現基于場效應調制的光電二極管，更為重要的是，團隊展示了該器件在光通信和光邏輯運算中的巨大應用潛力。由于該器件結構和制作工藝十分簡單，該新型場效應調控光電二極管架構的提出，可被廣泛應用于其他由各種半導體材料(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展。