三电极光电二极管问世，中国团队突破光电集成技术瓶颈

创作时间:

2025-01-22 02:17:20

作者:

@小白创作中心

三电极光电二极管问世，中国团队突破光电集成技术瓶颈

随着人工智能时代的到来和数字化转型的深入发展，对基于高速数据传输和高性能数据计算的半导体芯片需求不断增长。其中，以光子作为信息载体的光电子集成芯片及其相关技术的潜力正不断被挖掘和开发，凸显出它们在突破现有电子系统技术瓶颈与极限的可能性。

研究背景

光电二极管作为光电集成芯片中不可或缺的基本元件，已被广泛应用于发光二极管（LED）、激光器、探测器等。然而，无论是作为发光单元还是探测单元的光电二极管，均需配置相应的外部驱动电路来实现电信号和光信号之间的转换，这一传统模式极大地限制了整个光电系统的信号传输速度和带宽，也不可避免地增大了系统体积和复杂度，从而限制了整个光电集成技术的发展。

创新突破

针对这一挑战，中国科学技术大学孙海定教授团队与武汉大学刘胜院士团队合作，提出了新型三电极光电PN结二极管结构。通过在P型区域引入“第三电极”，构筑载流子调制新方法，实现了第三端口外加电场对二极管光电特性的有效调控。该三电极光电二极管将传统的光电二极管与一个“金属-氧化物-半导体（MOS）”结构进行巧妙而又紧凑的片上器件集成，从而利用外加电场对二极管发光或探测过程中的载流子输运行为进行有效调控。

实验结果

在器件工作的同时，在第三电极上施加特定的工作电压，该三端光电二极管就展示出独特的工作模式和状态：可以作为可调谐光发射器或多功能光电探测器。当三电极二极管作为光发射器接入光通信系统时，不仅能够实现常规LED的功能，同时由于第三电极集成了“偏置器”功能，使得输出光功率可以受第三电极的偏置电压调控，实现了更小体积、更高带宽的光通信系统；并且光通信频带带宽提高了60%，在同尺寸器件中达到国际最高水平。

当三电极二极管切换为光电二极管模式工作时，受第三端口施加的电压与入射光的同时控制，可以实现可重构的高速光电逻辑门，例如“NAND”和“NOR”等，而且在切换不同的逻辑门时无需对器件本身的结构进行任何改变。

图 1. （a）Nature Electronics文章封面。三电极发光和探测二极管的（b）结构示意图和（c）对应的新器件符号。（d）三电极二极管的带宽测试装置示意图，蓝线代表带有外部偏置器系统配置，红线代表只使用三电极二极管的系统配置。（e）基于三电极二极管的NOR、NAND逻辑门在单个器件内实现相同功能的示意图，及其在不同输入状态下的输出结果。

应用前景

该研究首次提出并实现基于场效应调制的光电二极管，该器件在光通信和光逻辑运算中展现出巨大的应用潜力。由于该器件结构和制作工艺十分简单，该新型场效应调控光电二极管架构可被广泛应用于其他由各种半导体材料（例如II-IV、III-V族化合物）制成的有源光电子集成芯片和器件平台上，有助于推动下一代高速和多功能光电集成芯片的发展。