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。
中国科学技术大学孙海定教授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，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。
研究人员通过在P型区域引入“第三电极”，将传统的光电二极管与一个“金属-氧化物-半导体”结构进行巧妙而又紧凑的片上器件集成。这种三端二极管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。
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，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，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知名期刊《自然•电子学》(Nature Electronics7, 279-287 (2024))，并被杂志主编Owain Vaughan推选为封面论文发布。
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、中国科学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。
(资料来源：科技日报)
