近日，中科院金屬所的科研團隊發明出一種新型光電探測器-光控二極管，它具有全新的信號行為，即在光照下器件可由不導電的「全關態」，轉變為只沿着一個電壓方嚮導電的「整流態」。
圖 | 右起：孫東明研究員、孫隕副研究員、馮順博士、劉馳研究員、博士生韓如月、博士生李波（來源：資料圖）
以此為基本單元，該團隊首次製備出一個無需使用選通器件的抗串擾光電存儲陣列，為未來最終實現高集成度光電陣列提供了一種基本器件，並可用於新型光電邏輯電路。它是一種新的電路元件，也是一個此前「缺失的元件」，可給高集成、低功耗的智能光電系統鋪平道路。
具體來說，光控二極管有望在光邏輯、信息處理、高精度成像等光電系統中，發揮不可替代的關鍵作用。例如，利用光信號作為基本輸入參量，將可實現對光電器件的基本邏輯功能調控，極大程度提升器件的光控效力，從根本上顛覆已有的光電轉化架構和基本邏輯認知。
（來源：National Science Review）
這種從全關態到整流態的光邏輯操作，在光照條件下具備整流態特徵的單一方嚮導通功能，故可在無選通管條件下規避陣列串擾問題。以光控二極管作為基本單元，集成到圖像傳感器中，有助於陣列像素單元的尺寸微縮及陣列集成度的進一步提高，同時降低設備的功耗和複雜度。
近日，相關論文以《具有新信號處理行為的光控二極管》（A photon-controlled diode with a new signal-processing behavior）為題[1]，發表在 National Science Review（23.18）上。中科院金屬研究所研究員劉馳、成會明、孫東明擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：National Science Review）
三位審稿人均認為該器件具有一種全新且有趣的信號處理特性，是光電探測器領域的重要進展。例如，審稿人 1 評論到：「作者製作了一種新型的光控二極管，該二極管可從關閉狀態變為整流狀態，從而形成了無選通器件和串擾的光電存儲陣列，在該領域取得了重大進展。」
審稿人 2 強調：「由於這種新的信號處理行為，沒有任何通器件的光控二極管陣列不會顯示串擾，這對於未來的高集成度、低功耗系統非常重要。我認為這種具有新特性的器件非常有趣，這是以前從未實現過的、擴大了的光電器件家族。」
光電探測器領域迎來重要進展
過去 70 多年，晶體管和集成電路技術沿摩爾定律取得了令人驚嘆的發展成果。隨着元器件特徵尺寸逼近工藝和物理極限，一方面，集成電路會沿着等比例縮小及三維集成的技術路線發展；另一方面，集成電路未來發展的新生力量包括感存算類腦芯片、光電芯片以及量子芯片等技術。
作為一類重要器件，光電探測器是通過電過程探測光信號的半導體器件。典型的光電探測器包括光電二極管、光電晶體管、光電導等。儘管光電探測器的種類繁多，原理和架構各異。但是，根據器件輸出電學參量在光響應條件下的不同表現，代表性的器件工作行為則表現為有限的幾個方面。
（來源：National Science Review）
在受到光信號激勵前後，光電探測器的輸出電流-電壓關係的變化情況具有三種典型的狀態：全關態、全開態以及整流態。例如，以光電二極管為代表的典型器件受到光照後，輸出信號由整流態變成全開態。另一方面，以光電導和光電晶體管為代表的一類器件的輸出信號表現為由全關態變為全開態。
從信號變化類型的完備性來看，可能存在一類器件使輸出信號由全關態變為整流態。這類新型光電探測器件的實現，有望在光邏輯、信息處理、高精度成像等光電系統中發揮關鍵作用。例如，如果使用它作為基本像素單元，即可構建一個無需選通器的抗串擾光電陣列。
因為陣列中每一條可能的泄漏路徑都被它的整流作用所切斷了，它本身就起到了開關的作用，因而不再需要另一個選通器件，這能極大節省了電路面積和複雜度，為最終實現高集成度陣列奠定了基礎。
（來源：National Science Review）
為了實現這種新型器件，該團隊選擇了具有優異光電性能的二維材料作為器件材料，同時和體材料一起構築異質結器件。具體地，其將 MoS2 n/n− 結插在兩個石墨烯 /MoS2 肖特基結之間構成溝道，使用 BN 材料作為光柵層，通過捕獲和釋放光生載流子來控制肖特基結的開與關，進而顯現或抑制 MoS2 n/n− 結的整流特性，從而在光照下首次實現器件電流狀態由全關態向整流態轉換的新信號行為。
構築無選通器件的 3×3 光電存儲陣列
在光控二極管的研究開展之前，課題組已經在光電領域開展了一系列研究工作，包括碳納米管光電存儲器[2]、碳納米管神經形態光電傳感器陣列[3]、雙異質結光電晶體管[4]和晶圓級 MXene 光電探測陣列[5]等。
他們發現為了避免串擾，光電器件在陣列集成時，必須在陣列單元增加額外的選通器件來控制泄漏電流，這本徵的限制了系統的集成度。劉馳表示：「我們不禁思考，有沒有可能開發出一種光電器件，能夠在不使用選通器件的情況下實現無串擾陣列？」
在開展文獻調研工作後，該團隊認為如若實現此功能，必須開發出一種新型的光電器件，它能夠在光照下實現「全關」到「整流」兩種狀態間的轉換才行。基於此，課題組開始了器件的設計和構築工作。
（來源：National Science Review）
其主要研究思路是將兩個肖特基結和一個整流結（二極管）串聯到一起，通過光柵層控制肖特基結的截止或導通，以抑制或顯現二極管的整流功能，從而實現器件從「全關態」到「整流態」的切換。
具體到材料選擇上，結合該團隊此前的研究經驗，使用二維層狀材料作為器件的主體部分，其中石墨烯作為電極材料，二硫化鉬 n/n− 結作為溝道材料，六方氮化硼作為光柵層。
研究中，他們通過干法轉移的方式製備了范德華異質結，進而利用氧等離子體處理、電子束曝光、反應離子刻蝕和電子束蒸鍍等器件工藝，實現了光控二極管的構築。
（來源：National Science Review）
在單個器件構築完畢後，又進行了電學和光電錶征。在一定的柵壓下，黑暗時器件表現為全關態，而光照時則能夠轉換成整流態，且具有超過 106 的整流比，這給予課題組極大的鼓舞。
然後，該團隊嘗試了不同厚度光柵層對器件性能的影響。當使用超薄的六方氮化硼（1nm）作為光柵層時，器件可以作為光電探測器；隨着光柵層厚度增加到 5nm 以上，器件的光電流表現出非易失性，可以被用於光電存儲器。
進一步，他們測試了器件對不同波長和強度光照的響應情況，由於光柵主要是依賴於六方氮化硼中的缺陷能級，因此入射光波長越短，更能激發深層的缺陷，器件的光電響應越靈敏。
最後，該團隊以光控二極管作為基本單元，構築了無選通器件的 3×3 光電存儲陣列，驗證了陣列的抗串擾能力。同時，基於器件對不同波長和強度光照響應差異，還演示了陣列的波長選擇和功率選擇功能。
在此工作的基礎上，團隊計劃開展面向人工視覺系統的球面類腦二維材料電路。通過與國內相關科研單位合作，利用晶圓級二維材料構築高集成度、柔性、透明的光控二極管陣列，並實現圖像探測、圖像記憶、圖像學習等人工視覺系統功能。
再往後，他們計劃發展出曲面光控二極管陣列。屆時，將研究球面光控二極管性能的演變規律以及球面陣列與探測視角的關係，並探索與隱形眼鏡類人工載體結合的功能驗證。
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參考：
1、Shun Feng, Ruyue Han, Lili Zhang, Chi Liu, Bo Li, Honglei Zhu, Qianbing Zhu, Wei Chen, Hui-Ming Cheng, Dong-Ming Sun, A photon-controlled diode with a new signal-processing behavior, National Science Review, 2022;, nwac088, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac088
2、Advanced Materials, 32, 1907288, 2020
3、Nature Communications, 12, 1798, 2021
4、Nature Communications, 12, 4094，2021
5、Advanced Materials, 2201298, 2022
