未來集成電路的發(fā)展呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，其中光電芯片可實現(xiàn)光傳輸及信息處理功能。通過與現(xiàn)代電子芯片技術的底層融合，支撐未來大容量、低功耗、集成化與智能化信息芯片技術的發(fā)展需求。其中，二極管作為一種重要的基本電學元件，在集成電路、大功率驅(qū)動、光學成像等領域具有重要應用，其結(jié)構和功能也十分豐富（圖1）。 

 

光電探測器是一類通過電信號探測光信號的重要半導體器件，包括光電二極管、光電晶體管和光電導等。盡管種類繁多，但光電探測器的信號狀態(tài)在光照前后可歸納為全關態(tài)（0,0）、全開態(tài)（1,1）以及整流態(tài)（0,1）或（1,0）三類（圖2）。已往的光電探測器可以實現(xiàn)兩種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換，以光電二極管為代表的器件實現(xiàn)由整流態(tài)向全開態(tài)轉(zhuǎn)換，以及以光電導和光電晶體管為代表的器件實現(xiàn)由全關態(tài)向全開態(tài)轉(zhuǎn)換。從圖中的電學行為的完備性出發(fā)，理論上應存在一類由全關態(tài)向整流態(tài)轉(zhuǎn)換的新型器件。 

 

近日，中國科學院金屬研究所的科研人員提出了一種光控二極管，通過異質(zhì)結(jié)的設計與構筑，器件獲得了新型光電整流特性，光照條件下電流狀態(tài)實現(xiàn)了由全關態(tài)向整流態(tài)的轉(zhuǎn)換，進而構筑出首例無需選通器件的光電存儲陣列。研究成果于2022年5月10日在《國家科學評論》（National Science Review）在線發(fā)表，題為“一種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）”。 

 

科研人員使用二硫化鉬n/n-結(jié)作為溝道，利用石墨烯作為接觸電極、六方氮化硼作為光柵層材料，構筑了光控二極管。在一定的柵壓下，黑暗時器件表現(xiàn)為全關態(tài)，而光照時則轉(zhuǎn)換成整流態(tài)，且具有超過106的電流開關比（圖3）。同時，器件具有光電探測器行為，其響應度超過105 A/W，響應速度小于1s；當六方氮化硼厚度逐步增加時，光控二極管的器件行為轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆姶鎯ζ鳎@得迄今最高的非易失響應度（4.8×107 A/W）和最長的保留時間（6.5×106 s）（圖4）。 

 

通過器件能帶結(jié)構的分析，研究人員闡明了器件的工作原理。光控二極管本質(zhì)上是由位于正和負極的兩個石墨烯/二硫化鉬肖特基結(jié)和位于溝道的二硫化鉬n/n-結(jié)串聯(lián)而成。在負柵壓下，處于截止態(tài)的肖特基結(jié)將使器件處于全關態(tài)；在光照時，氮化硼光柵層將捕獲光生載流子，從而屏蔽柵壓的調(diào)控作用，使肖特基結(jié)處于導通態(tài)，進而使得二硫化鉬n/n-結(jié)的整流特性得以呈現(xiàn)，器件處于整流態(tài)（圖5）。研究人員進一步設計構筑了3×3像素的光電存儲陣列，首次在無選通器件的條件下展現(xiàn)了優(yōu)異的抗串擾能力；同時，基于器件對不同波長和強度光信號響應的差異，研究人員演示了陣列對光信號的探測及處理功能，表明了光控二極管具有實現(xiàn)高集成度、低功耗和智能化光電系統(tǒng)的極大潛力（圖6）。 

 

馮順為論文的第一作者，韓如月和張莉莉為共同第一作者，孫東明、劉馳和成會明為論文的通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中科院先導項目、沈陽材料科學國家研究中心等項目支持。 

 

　　圖1. 二極管的基本器件類型。 

　　圖2. 光電探測器件的基本電流狀態(tài)：全關態(tài)（0,0）、全開態(tài)（1,1）和整流態(tài)（0,1）或（1,0）。 

　　圖3. 二硫化鉬光控二極管。a. 器件結(jié)構示意圖；b. 局部截面TEM圖像；c. 圖b白色虛線區(qū)域元素分布圖；d. 圖b黑色虛線區(qū)域元素分布圖；e. IA-VA特性（VG = 0 V）；f. 在暗態(tài)和光照下的IA-VA特性（VG = -60 V）；g. 等效電路圖。 

　　圖4. 光控二極管的光電存儲特性。a. 存儲特性；b. 開關特性；c. 405 nm光非易失響應度和探測度；d. 638 nm光非易失響應度和響應度；e-f. 基于不同材料體系的器件性能對比。 

　圖5. 工作機制。a. 全關態(tài)（VA > 0）；b. 全關態(tài)（VA < 0）；c. 數(shù)據(jù)寫入過程；d. 整流態(tài)（VA > 0）；e. 整流態(tài)（VA < 0）；f. 數(shù)據(jù)擦除過程。 

　　圖6. 光電存儲器陣列應用示例。a. 無選通器的3×3光電存儲陣列；b. 局域放大圖像；c. 制作完成的器件陣列；d. 等效電路圖；e. 無串擾功能驗證；f. 波長依賴關系驗證；g. 功率依賴關系驗證。 　

原文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac088