随着人工智能时代的到来和数字化转型的深入发展，对用于高速数据传输和高性能数据计算的半导体芯片的需求不断增长。其中，以光子作为信息载体的光电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。光电二极管作为光电集成芯片中必需的基本元件，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技术的集成与发展。
为此，中国科学技术大学孙海定教授iGaN Lab课题组与武汉大学刘胜院士团队合作，在国际上首次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。此外，团队还基于该新型光电二极管构建了光通信系统和可重构光电逻辑门系统，为开发下一代光电集成芯片提供了一种全新的器件架构和系统解决方案。相关研究成果以《A three-terminal light emitting and detecting diode》为题，于2024年4月25日在线发表于国际电子器件顶级期刊《自然•电子学》（Nature Electronics 7, 279-287 (2024)），并被杂志主编Owain Vaughan推选为封面论文发布。这是继2021年孙海定教授iGaN课题组发表中国科大第一篇Nature Electronics 4, 645-652 (2021)）之后，再次将基于氮化镓（GaN）半导体的光电芯片相关研究成果发表在该期刊上。中国科大微电子学院博士生Muhammad Hunain Memon和余华斌为论文共同第一作者。
Nature Electronics的封面如下图1（a）所示，该器件通过单片集成方法，在GaN基紫外LED的P型导电层上制备了一个由金属-氧化物绝缘体（Al2O3）-半导体（p型GaN）构成的MOS结构，从而构筑了一个具有三个端口的发光二极管并配以新器件的符号。该三端光电二极管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。首先，当三电极二极管作为光发射器工作时，由于在第三端口上实现了集成“偏置器”功能，即输出光功率可以受第三电极的偏置电压调控，因此，当它被接入到光通信系统中时，可以与连接了外部偏置器的常规LED实现相同的功能。图1（b）展示了两种不同的系统配置，一种采用常规的双端LED，另一种采用三电极LED。通过比较了两个系统的-3 dB带宽，与采用外部偏置器的系统相比，三电极二极管具有更高频带带宽（图1（c）和1（d）），提升幅度达到60%，并且在同尺寸器件中达国际最高水平（图（1e））。这种三端二极管的提出，减少了光通信系统中对外部偏置器电路的需求，实现了更小体积、更宽带宽的光通信系统。其次，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，并形成完整的光控逻辑电路。最终，团队展示了该器件在光通信和光逻辑运算中的巨大应用潜力。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的提出，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。
图1 （a）文章封面、三电极发光和探测二极管的结构示意图和对应的新器件符号；（b）三电极LED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LED的系统配置;（c）不同电流条件下的-3 dB带宽;（d）将三电极LED应用在光通信系统中的调制带宽相较于其他报道的同类型LED性能对比图。
图2（a） 传统的NOR逻辑门（b）传统的NAND逻辑门；（c）基于三电极二极管的NOR门在单个器件内实现相同功能；（d）基于三电极二极管的NAND门在单个器件内实现相同的功能；（e）在-6 V偏置条件（p-n-电极）下，光电流对输入光强和三电极电压的依赖性，对应“NOR”逻辑门条件；（f）在1.5 V偏置条件（p-n-电极）下，光电流对输入光强和三电极电压的依赖性，对应“NAND”逻辑门条件。
此项研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中科大双一流建设经费、中央高校基本科研基金等专项经费的资助，也得到了中国科大微电子学院、中科院无线光电通信重点实验室、集成电路科学与工程安徽省重点实验室、中国科大微纳研究与制造中心和中国科大信息科学实验中心的支持。特别感谢基金委国家重大科研仪器研制项目（部门推荐），以及中国科学院“一带一路”国际科学组织联盟奖学金（ANSO奖学金）对本工作的大力支持。中国科大孙海定教授、武汉大学刘胜院士为论文共同通讯作者。中国科大微电子学院左成杰教授、中科院无线光电通信重点实验室龚晨教授、复旦大学沈超研究员、澳大利亚国立大学傅岚教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi教授等参与了项目的联合攻关。
Nature Electronics论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01142-y
（中国科学技术大学微电子学院 科研部）