中国科大孙海定教授和武大刘胜院士Nature Electronics封面论文: 发明新型氮化镓光电二 ...

半导体产业网讯：基于两端或两电极的电子器件结构（Two-terminal devices）是构建现代电子系统的最基础、最简单的元件。然而，典型两电极体系器件结构会限制它们功能的多样化和性能的提升。

近期，中国科学技术大学微电子学院iGaN实验室的Muhammad Hunain Memon博士、余华斌博士，孙海定教授等联合武汉大学刘胜院士团队等，在Nature Electronics上以“A three-terminal light emitting and detecting diode”发文，报道了一种多功能三端（三电极）二极管（three-terminal diode: TTD）,并被主编推选为当期封面论文（如图1所示）。

图1：论文入选四月份期刊封面论<
https://www.nature.com/natelectron/>

该新型光电二极管主要由传统两端氮化镓基p-n二极管，以及直接在p型GaN层上由金属/Al2O3介质层组成的单片集成的第三电极third terminal (Tt) 组成（如图2所示）。当该三端二极管作为发光二极管LED工作时，可以通过调节施加到第三电极Tt上的偏置电压，以调节LED的发光强度（如图3所示）。同时，由于引入第三电极Tt且该电极又具备集成偏置器（bias-tee)的功能，该器件的调制带宽可以从原来的 p-n 二极管中的160MHz大幅增加到263MHz（如图4所示）。此外，当该新型器件作为光电探测二极管工作时，在第三端Tt上施加的电压和入射光都可以作为控制输出光电流大小的信号输入，提供可重构的光电逻辑门，包括NAND和NOR等（如图5所示）。该新型器件的提出和实现，为将来实现光电集成芯片、高速光通信和光计算提供了一种全新的器件架构。

图2: Three-terminal optoelectronic diode的制备和器件表征。

图3: 新型光电二极管的电学和光学特性。

图4: 新型光电二极管在光学无线通信（optical wireless communication ，OWC）系统中的应用。通过巧妙利用光电单片集成设计，大幅提升器件工作带宽。

图5: 用于光电逻辑门（optoelectronic logic gates，OELG）的新型三端光探测器的实现。

文献链接Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nature Electronics, 7, 279–287 (2024).

<https://www.nature.com/articles/s41928-024-01142-y>

通讯作者简介：孙海定，教授/博导，国家优青，安徽省杰青，中科院海外高层次人才。长期致力于氮化镓（GaN）半导体材料外延、紫外光电器件和HEMT电子器件设计与制备研究。研究成果被半导体权威杂志《Compound Semiconductor》、《Semiconductor Today》等多次封面报道10余次。目前担任多个国际期刊如IEEE Photonics Technology Letters、半导体学报Journal of Semiconductor副主编以及CLEO/IEEE IPC等多个国际光电子领域会议委员。同时入选iCAX Young Scientist Award和2021年度 IAAM Young Scientist Medal等国际青年科学家奖项。以项目负责人主持国家重点研发计划，国家自然科学基金，中科院国际合作和省部级项目等。

通讯作者简介：刘胜，1992年毕业于美国斯坦福大学获工学博士学位。1992年到1995年在佛罗里达理工学院任教。1995年到2001年任美国Wayne州立大学机械工程系和制造研究所终身教职，电子封装实验室主任。2001年至2013年回国担任华中科技大学微系统研究中心主任、武汉光电国家实验室(筹)微光机电系统研究部负责人。2014年至今，任武汉大学动力与机械学院教授、院长，工业科学研究院执行院长、微电子学院副院长。2023年11月当选为中国科学院院士。

长期从事集成电路、LED 和微传感器封装及可靠性理论和前沿技术研究，是电子封装科学与技术领域的杰出专家。建立了量子力学-分子动力学、界面断裂力学和损伤力学为基础的非线性整体-局部设计理论体系和设计平台，提出电-湿/热-应力-化学等多场耦合下缺陷调控理论；突破了界面-湿-热-应力耦合调控关键技术；发明了系列先进封装技术，解决高密度芯片封装中翘曲、开裂和寿命短等难题，取得了一系列的原创性研究成果；主持“薄膜生长缺陷跨时空尺度原位/实时监测与调控实验装置”“MEMS传感器芯片先进封装测试平台”等国家IC装备重大专项、国家重大科研仪器研制项目；发表SCI论文424篇，合作出版专著6部（英文4部），授权发明专利196件，被 30 多个国家的著名学者（包括 70 余名国际学会会士和 10 余名中国和美国院士）广泛引用；以第一完成人获国家科学技术进步一等奖、国家技术发明奖二等奖、教育部技术发明奖一等奖，白宫总统教授奖、NSF青年科学家奖、国际微电子及封装学会(IMAPS)技术贡献奖、IEEE CPMT杰出技术成就奖等多项国内外奖项。

国家高技术研究发展计划（863计划）专家，国家集成电路特色工艺及封测创新中心首席科学家，高密度集成电路封装技术国家工程实验室首席科学家，电气和电子工程师协会（IEEE）会士（Fellow），美国机械工程师学会（ASME）会士（Fellow）。

来源： 第三代半导体产业

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