中科大团队构筑“三电极”光电二极管，频带带宽提升60%，大幅缩小光通信系统体积

“我们首次提出并实现了基于场效应调制的光电二极管，并展示了其在光通信和光逻辑运算中的巨大潜力。”中国科学技术大学孙海定教授表示。

图 | 孙海定（来源：孙海定）

近日，他和团队的这篇论文发在 Nature Electronics 的当期封面。

其表示：“目前在 Nature Electronics 发表的所有封面论文中，我们发现中国大陆平均 1 年多、甚至有时 2 年左右才会有 1 篇论文被选为封面论文。”

因此，此次封面论文的发布，让整个课题组倍感荣幸和激励。

图 | 封面图片（来源：Nature Electronics）

研究中，课题组通过单片集成的方法，在氮化镓基紫外发光二极管的 p 型导电层上，造出一个由“金属-氧化物绝缘体-半导体”构成的电容器结构。

通过此，他们构筑了一个具有三个端口的发光二极管，并为其配以新器件的符号。

图 ｜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（来源：Nature Electronics）

在原有发光二极管上施加偏压的同时，当在第三端口上配置特定的工作电压，这款三端二光电极管就能展示出独特的工作模式和状态，从而能够充当可调谐型光发射器或多功能光电探测器。

图 | 将单片集成三电极二极管用于光通信中（来源：Nature Electronics）

当三电极二极管作为光发射器工作时，由于第三端口实现了集成“偏置器”的功能，即输出光功率可以受到第三电极的偏置电压调控。

因此，当它被接入光通信系统之中时，可以与已连接外部偏置器的常规发光二极管实现相同的功能。

与采用外部偏置器的系统相比，三电极二极管由于能够减小寄生电容，因此具有更高频带带宽，提升幅度达到 60%，在同尺寸器件中达到国际最高水平。

孙海定表示，这种三端二极管的面世，不仅减少了光通信系统对于外部偏置器电路的需求，也实现了体积更小、带宽更宽的光通信系统。

图 | 单片集成三电极二极管用于光控逻辑器件，能实现非易失性存储器（NOR，Non-Volatile Memory）、门非门存储器（NAND，Not AND）等逻辑门电路功能（来源：Nature Electronics）

有趣的是，当三电极二极管切换为光电二极管模式工作时，会受到第三端口施加的电压与入射光的同时控制，从而能够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。

基于通用逻辑门 NOR 和 NAND，可以生成任何逻辑布尔表达式，这时只需利用同种器件就能形成完整的逻辑电路。

研究中，他们不仅实现了性能提升，而且基于单片集成技术将传统光通信系统中的“偏置器”集成于器件第三电极，在实现器件通信带宽性能提升的同时，也大幅缩小了光通信系统的体积和面积。

这有利于进一步地推动下一代高速、体积小、多功能光电集成芯片和系统的发展。

由于这款器件的结构和制作工艺十分简单，因此本次提出的新型场效应调控光电二极管架构，可被广泛用于由各种半导体材料制成的有源光电子集成芯片和器件平台上，推动下一代高速、多功能光电集成芯片的发展。

突破现有电子系统技术瓶颈与极限

据了解，随着人工智能时代的到来和数字化转型的深入发展，人们对于高数据传输速度和高数据计算性能的半导体芯片需求正在不断增长。

在数据高速传输和处理需求的驱动下，集成电路芯片技术呈现出高集成度和多元化的发展态势。

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。

光电子芯片，是由光电子器件和微电子器件等多种基础元件组合而成的新型芯片架构。

它能将电、光等多种形式的信号进行相互转换、传输和处理，有望与传统集成电路器件相互交融和互补，克服摩尔定律带来的器件物理尺寸极限的限制和瓶颈。

其中，作为光电集成芯片中的必需元件，光电二极管已被广泛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，只有这样才能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，也不可避免地会增大系统的体积和复杂度，以至于限制了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。

巴基斯坦留学生几年未回祖国，国内同学临过年才走

多年来，孙海定一直深耕氮化镓材料和器件领域，并努力研究它们在固态照明、显示成像和探测等领域的应用。

同时，他和课题组也非常关注该类技术在新兴光电集成及光通信、光计算等领域的拓展。

而当研究基于紫外微型发光二极管的日盲光通信系统时候，在搭建和测试过程中他们发现光信号发射模块中的偏置器（bias-tee），对于信号的有效传输至关重要。

为了满足系统搭建的需求，该团队尝试了市面上所有型号的偏置器。

但是，庞大的系统搭建起来总是非常麻烦，而且对于整个系统的调制带宽性能来说，它很容易受到偏置器这一模块质量好坏的影响。

有一天，他们坐在一起讨论如何简化和优化日盲光通信系统。

这时，孙海定和学生余华斌、以及来自巴基斯坦的留学生穆罕默德·胡纳因·梅门（Muhammad Hunain Memon）突然脑洞大开：考虑到偏置器本身就是一个“元件或电路模块”，能否通过单片集成技术将偏置器直接集成到发光二极管光源上？

然而，直接在氮化镓晶圆上实现偏置器功能的电容和电感电路似乎并不高明，因为这种方案会让芯片制备工艺变得复杂，而且电容和电感的性能也无法保证，同时也会严重影响光通信质量。

突然，余华斌随口说道：“为什么要那么复杂？为什么不利用半导体器件中经典的场效应来实现信号调制功能呢？”

此时，孙海定脑海中浮现出将发光二极管结构与一个“新功能电极”（即论文中的“第三个电极”）组合起来的架构。

从传统意义上来说，基于金属-氧化物-半导体（MOS，metal-oxide-semiconductor）这一经典结构的场效应晶体管，本身就能通过有效地控制施加在 MOS 上的电压，实现对于晶体管沟道的开启和关断。

于是他们想到：如果将类似结构与发光二极管结合起来，也许能起到相似的调制作用。

只不过这里是对发光二极管的发光特性进行调控，而这将会产生新的调控机制和现象。

随后，他们立即定下器件结构和制备工艺。很快，课题组造出第一个三电极二极管样品，并验证了样品中第三个电极的调控效果。

尽管这一过程仅仅耗时一个月，然而他们也面临着诸多疑问：这个场效应真的存在吗？调制效果是否是由第三电极漏电导致的？这种调制效果的机理是什么？这个结构真的有应用前景吗？

在本次项目的三年间，他们反复质问自己，并通过实验和测试去回答这些问题。

图 | 本项工作的核心成员 Hunain、余华斌、罗远旻同学（来源：孙海定）

期间，Muhammad Hunain Memon 同学为了测试，没能回过自己的祖国巴基斯坦，余华斌同学总是最后一个过年回家，而在过年期间余华斌则把测试接力棒交给 Muhammad Hunain Memon。

最终，他们研制了多达十几轮的器件工艺，在各种波段的发光二极管结构基础上，不断进行基于第三电极的设计和尝试。

经过大量实验和反复确认，证明第三个电极确实对于发光二极管具有调制效应。

并发现这种具备第三电极的二极管结构，能够利用场效应来调控光生电流。当将其用于光电逻辑门电路之时，还有望为实现光计算提供更好的原型基础逻辑单元。

孙海定补充称：“实验中，我的导师刘胜院士针对一些关键技术细节包括器件电极如何构造、材料生长过程、以及器件的单片集成封装等予以指导，并引导我们进行产业化布局包括专利申请等。”

图 | 刘胜院士（左）指导孙海定（来源：孙海定）

最终，相关论文以《三端发光及检测二极管》（A three-terminal light emitting and detecting diode）为题发在 Nature Electronics[1]。

Muhammad Hunain Memon 和余华斌是共同一作，武汉大学刘胜院士和中国科学技术大学孙海定教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

另据悉，孙海定将自己的实验室起名为“iGaN Laboratory”，也和课题组的初衷和使命紧密相关。

GaN 是氮化镓的化学方程式，孙海定个人认为氮化镓是除了硅以外最完美的半导体材料之一。

而“i”代表的是 imagination 想象力，innovation 创新力，importance 重要性。“这就是我们的 iGaN。YES，We CAN！”孙海定表示。

图 | iGaN 团队，Play Hard，Work Hard！（来源：孙海定）

另据悉，光电芯片及集成作为传统电子集成系统的补充，是孙海定实验室一直以来的深耕方向。

他认为氮化镓是宽禁带半导体领域的“硅材料”，它具备很多硅所不具备的特性比如发光性能，而且可以发从紫外到红外的光。

所以，无论是在光电子领域、还是在传统功率电子领域，氮化镓均能发挥强大的能量。

在光电子领域，氮化镓基蓝光发光二极管的发明改变了人类的照明习惯（替换了传统白炽灯），相关科学家也获得了 2013 年的诺贝尔物理学奖。

但这只是氮化镓光电子产业“发光发热”的开始，未来氮化镓及其相关器件的前景十分明媚。

目前，课题组与氮化镓光电子国内的领军企业也已经展开了相关合作，本次课题也获得了国家级项目的支持（包括国家重点研发计划和国家基金委项目等）。

眼下，他们正在跟业界开展沟通和合作，希望尽快将本次器件和技术加以产业化。

孙海定表示：“我们也希望这项研究能推动下一代高速和多功能光电集成芯片的发展，为光电子、光通讯和光计算等领域带来新的技术解决方案。”

参考资料：

1.Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nat Electron 7, 279–287 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01142-y

运营/排版：何晨龙

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