新型“三电极”光电PN结二极管

 

导 读

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。

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集成技术的发展。

鉴于此，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，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。   

小百科1：什么是“PN结二极管”？PN结二极管由P型和N型两种半导体材料构成。P型材料中空穴多而电子少，N型则相反。当它们相连时,在交界面会形成一个PN结。   有意思的是，在没有外加电压时，P型区的空穴和N型区的电子会在PN结区域相互结合，形成一个“耗尽层”，电子和空穴都难以通过，就像一堵墙一样。   但当在P端加正电压、N端接地时，这堵“墙”就会变矮，电子和空穴在外加电场的推动下，就能跨过“墙”产生电流。这就是PN结二极管的整流特性。   而在这项研究中，研究人员在PN结二极管上引入了第三个电极。通过在第三电极上施加不同的电压，就可以进一步调控PN结区域的电子和空穴的运动，就像在“墙”上开了一个可以调节高度的“门”。   当二极管作为发光器件时，通过第三电极可以调节发光强度；而当其作为光电探测器时，更可以实现不同的逻辑功能，比如与或非门。

小百科2：什么是“光电逻辑门”？在计算机和电子系统中，逻辑门是信息处理的基本单元。它们就像是一个个小开关，通过对输入信号进行逻辑运算，然后输出结果。但是，随着集成电路的高速发展，传统的电子逻辑门已经渐渐达到了瓶颈。   而这项研究中，研究人员利用新型的三电极光电二极管，实现了一种全新的“光电逻辑门”。   在这种逻辑门中，输入信号不再是纯粹的电信号，而是由光脉冲和施加在第三电极上的控制电压组成的光电输入。当光脉冲照射到二极管上时，器件产生光电流输出。而第三电极上的控制电压，则可以调节光电流的大小。   研究人员巧妙地利用这两种输入信号，通过调整控制电压，成功实现了“与”、“或”、“非”等基本逻辑功能。

器件结构及工作原理

如图1所示，该器件通过单片集成方法，在GaN基紫外发光二极管（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-GaN）构成的电容器结构，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。该器件只需在原来LED上施加偏压的同时，在第三端口上配置特定的工作电压，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。

图1：(a)文章封面；(b)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。 图源：Nature Electronics    

基于三电极二级管的光通信系统

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”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2(a)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：图2(a)中的蓝线显示了一种带有偏置分路器的系统配置，其中调制信号和直流偏置通过传统的偏置分路器电路组合，并施加于常规的双端LED。图2(a)中的红线展示了基于三电极LED的系配置，其中调制信号直接输入到第三电极中，而直流偏置则施加在LED的正极和负极上。当向LED注入不同电流时，我们比较了两个系统的-3 dB带宽（图2(b)）。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，提升幅度达到60%，并且在同尺寸的器件中，是最高水平。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。为了更好地理解三电极LED的通信能力，该系统被用于在无线光通信系统中传输100 MHz的正弦信号。如图2(c)所示，输出信号波形和发射信号波形匹配良好，这验证了三电极LED对于无线光通信系统应用的可靠性和适用性。

图2：(a) 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;(b)不同电流条件下的-3 dB带宽;(c)信号传输波形图；(d) 三电极LED与其他紫外LED的调制带宽比较图。 图源：Nature Electronics    

基于三电极二极管的可重构光电逻辑门系统

有趣的是，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。基于通用逻辑门NOR和NAND可以生成任何逻辑布尔表达式，从而形成完整的逻辑电路。然而，形成传统的基于硅的双输入NOR（红色，图3a）和NAND（蓝色，图3b）逻辑门需要至少四个晶体管。而当使用我们的三电极二极管充当三端探测器时，这两个逻辑门可以很容易地基于单个器件实现。这里，输入1是作为电信号的第三电极输入，输入2是作为光信号的光输入。输出是基于p和n电极探针测量的光电流来定义的。通过集成第三电极，该三电极二极管可以实现NOR和NAND逻辑功能，而无需改变器件架构。因此，基于单个三电极二极管，NOR和NAND门可以分别实现。通过将p–n电压作为编程输入来调制器件的工作模式，图3c和图3d分别展示了-6 V和1.5 V下光电流对输入光强和三电极电压的依赖性。光电流值高于和低于−3 nA分别用红色和蓝色标记，对应于逻辑1和0。此时，−6 V和1.5 V的p–n电压分别对应于NOR和NAND逻辑门。图中的色差清楚地表明，在相同的输入光强度和相同的三电极电压下，可以通过将p–n电压从正切换到负来地调制光电流的大小。   

图3：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。 图源：Nature Electronics    

未来展望

该研究首次提出并实现基于场效应调制的光电二极管，更为重要的是，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。