近日，中科院金属所的科研团队发明出一种新型光电探测器-光控二极管，它具有全新的信号行为，即在光照下器件可由不导电的“全关态”，转变为只沿着一个电压方向导电的“整流态”。
图 | 右起：孙东明研究员、孙陨副研究员、冯顺博士、刘驰研究员、博士生韩如月、博士生李波（来源：资料图）
以此为基本单元，该团队首次制备出一个无需使用选通器件的抗串扰光电存储阵列，为未来最终实现高集成度光电阵列提供了一种基本器件，并可用于新型光电逻辑电路。它是一种新的电路元件，也是一个此前“缺失的元件”，可给高集成、低功耗的智能光电系统铺平道路。
具体来说，光控二极管有望在光逻辑、信息处理、高精度成像等光电系统中，发挥不可替代的关键作用。例如，利用光信号作为基本输入参量，将可实现对光电器件的基本逻辑功能调控，极大程度提升器件的光控效力，从根本上颠覆已有的光电转化架构和基本逻辑认知。
（来源：National Science Review）
这种从全关态到整流态的光逻辑操作，在光照条件下具备整流态特征的单一方向导通功能，故可在无选通管条件下规避阵列串扰问题。以光控二极管作为基本单元，集成到图像传感器中，有助于阵列像素单元的尺寸微缩及阵列集成度的进一步提高，同时降低设备的功耗和复杂度。
近日，相关论文以《具有新信号处理行为的光控二极管》（A photon-controlled diode with a new signal-processing behavior）为题[1]，发表在 National Science Review（23.18）上。中科院金属研究所研究员刘驰、成会明、孙东明担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：National Science Review）
三位审稿人均认为该器件具有一种全新且有趣的信号处理特性，是光电探测器领域的重要进展。例如，审稿人 1 评论到：“作者制作了一种新型的光控二极管，该二极管可从关闭状态变为整流状态，从而形成了无选通器件和串扰的光电存储阵列，在该领域取得了重大进展。”
审稿人 2 强调：“由于这种新的信号处理行为，没有任何通器件的光控二极管阵列不会显示串扰，这对于未来的高集成度、低功耗系统非常重要。我认为这种具有新特性的器件非常有趣，这是以前从未实现过的、扩大了的光电器件家族。”
光电探测器领域迎来重要进展
过去 70 多年，晶体管和集成电路技术沿摩尔定律取得了令人惊叹的发展成果。随着元器件特征尺寸逼近工艺和物理极限，一方面，集成电路会沿着等比例缩小及三维集成的技术路线发展；另一方面，集成电路未来发展的新生力量包括感存算类脑芯片、光电芯片以及量子芯片等技术。
作为一类重要器件，光电探测器是通过电过程探测光信号的半导体器件。典型的光电探测器包括光电二极管、光电晶体管、光电导等。尽管光电探测器的种类繁多，原理和架构各异。但是，根据器件输出电学参量在光响应条件下的不同表现，代表性的器件工作行为则表现为有限的几个方面。
（来源：National Science Review）
在受到光信号激励前后，光电探测器的输出电流-电压关系的变化情况具有三种典型的状态：全关态、全开态以及整流态。例如，以光电二极管为代表的典型器件受到光照后，输出信号由整流态变成全开态。另一方面，以光电导和光电晶体管为代表的一类器件的输出信号表现为由全关态变为全开态。
从信号变化类型的完备性来看，可能存在一类器件使输出信号由全关态变为整流态。这类新型光电探测器件的实现，有望在光逻辑、信息处理、高精度成像等光电系统中发挥关键作用。例如，如果使用它作为基本像素单元，即可构建一个无需选通器的抗串扰光电阵列。
因为阵列中每一条可能的泄漏路径都被它的整流作用所切断了，它本身就起到了开关的作用，因而不再需要另一个选通器件，这能极大节省了电路面积和复杂度，为最终实现高集成度阵列奠定了基础。
（来源：National Science Review）
为了实现这种新型器件，该团队选择了具有优异光电性能的二维材料作为器件材料，同时和体材料一起构筑异质结器件。具体地，其将 MoS2 n/n− 结插在两个石墨烯 /MoS2 肖特基结之间构成沟道，使用 BN 材料作为光栅层，通过捕获和释放光生载流子来控制肖特基结的开与关，进而显现或抑制 MoS2 n/n− 结的整流特性，从而在光照下首次实现器件电流状态由全关态向整流态转换的新信号行为。
构筑无选通器件的 3×3 光电存储阵列
在光控二极管的研究开展之前，课题组已经在光电领域开展了一系列研究工作，包括碳纳米管光电存储器[2]、碳纳米管神经形态光电传感器阵列[3]、双异质结光电晶体管[4]和晶圆级 MXene 光电探测阵列[5]等。
他们发现为了避免串扰，光电器件在阵列集成时，必须在阵列单元增加额外的选通器件来控制泄漏电流，这本征的限制了系统的集成度。刘驰表示：“我们不禁思考，有没有可能开发出一种光电器件，能够在不使用选通器件的情况下实现无串扰阵列？”
在开展文献调研工作后，该团队认为如若实现此功能，必须开发出一种新型的光电器件，它能够在光照下实现“全关”到“整流”两种状态间的转换才行。基于此，课题组开始了器件的设计和构筑工作。
（来源：National Science Review）
其主要研究思路是将两个肖特基结和一个整流结（二极管）串联到一起，通过光栅层控制肖特基结的截止或导通，以抑制或显现二极管的整流功能，从而实现器件从“全关态”到“整流态”的切换。
具体到材料选择上，结合该团队此前的研究经验，使用二维层状材料作为器件的主体部分，其中石墨烯作为电极材料，二硫化钼 n/n− 结作为沟道材料，六方氮化硼作为光栅层。
研究中，他们通过干法转移的方式制备了范德华异质结，进而利用氧等离子体处理、电子束曝光、反应离子刻蚀和电子束蒸镀等器件工艺，实现了光控二极管的构筑。
（来源：National Science Review）
在单个器件构筑完毕后，又进行了电学和光电表征。在一定的栅压下，黑暗时器件表现为全关态，而光照时则能够转换成整流态，且具有超过 106 的整流比，这给予课题组极大的鼓舞。
然后，该团队尝试了不同厚度光栅层对器件性能的影响。当使用超薄的六方氮化硼（1nm）作为光栅层时，器件可以作为光电探测器；随着光栅层厚度增加到 5nm 以上，器件的光电流表现出非易失性，可以被用于光电存储器。
进一步，他们测试了器件对不同波长和强度光照的响应情况，由于光栅主要是依赖于六方氮化硼中的缺陷能级，因此入射光波长越短，更能激发深层的缺陷，器件的光电响应越灵敏。
最后，该团队以光控二极管作为基本单元，构筑了无选通器件的 3×3 光电存储阵列，验证了阵列的抗串扰能力。同时，基于器件对不同波长和强度光照响应差异，还演示了阵列的波长选择和功率选择功能。
在此工作的基础上，团队计划开展面向人工视觉系统的球面类脑二维材料电路。通过与国内相关科研单位合作，利用晶圆级二维材料构筑高集成度、柔性、透明的光控二极管阵列，并实现图像探测、图像记忆、图像学习等人工视觉系统功能。
再往后，他们计划发展出曲面光控二极管阵列。届时，将研究球面光控二极管性能的演变规律以及球面阵列与探测视角的关系，并探索与隐形眼镜类人工载体结合的功能验证。
-End-
参考：
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
