我国学者在新型场效应调控光电集成二极管研究方面取得进展
2025/06/02
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图 (a)文章封面图片；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
在国家自然科学基金项目（批准号：62322410、52272168、52161145404）等资助下，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结二极管架构，构筑载流子调制新方法，实现外加电场对二极管光电特性的有效调控。相关研究成果以“三电极发光探测二极管（A three-terminal light emitting and detecting diode）”为题，于2024年4月29日作为封面文章在线发表在《自然?电子学》（Nature Electronics）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01142-y。
近年来，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。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单元和探测单元。然而，现有的光电二极管，均需配置相应的外部驱动电路，以实现电信号和光信号之间的转换。这一架构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。因此，如何打破传统模式，突破现有电子系统技术瓶颈与极限已经成为光电集成领域的研究焦点。
为此，该研究团队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”，构筑了载流子调制新方法，揭示了场效应调控二极管光电特性的新机理（图）。该新型场效应调控光电二极管展示出独特的工作模式和状态：当作为光发射器工作时，输出光功率受第三电极的偏置电压调控，可以实现等效于连接了外部偏置器的常规LED功能。这一架构减少了光通信系统中对外部偏置器电路的依赖，实现了更小体积、更宽带宽的需求。此外，当该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，而且在切换不同的逻辑门时无需通过对器件本身结构进行改变来形成完整的光控逻辑电路。
总之，该新型场效应调控光电二极管架构具有器件结构和制作工艺简单的显著优点，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。
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