未來集成電路的發展呈現出多元化發展趨勢，其中光電芯片可實現光傳輸及信息處理功能。通過與現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、大功率驅動、光學成像等領域具有重要應用，其結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在光照前后可歸納為全關態（0,0）、全開態（1,1）以及整流態（0,1）或（1,0）三類（圖2）。已往的光電探測器可以實現兩種狀態的相互轉換，以光電二極管為代表的器件實現由整流態向全開態轉換，以及以光電導和光電晶體管為代表的器件實現由全關態向全開態轉換。從圖中的電學行為的完備性出發，理論上應存在一類由全關態向整流態轉換的新型器件。 

 

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，通過異質結的設計與構筑，器件獲得了新型光電整流特性，光照條件下電流狀態實現了由全關態向整流態的轉換，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，黑暗時器件表現為全關態，而光照時則轉換成整流態，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變為光電存儲器，并獲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。光控二極管本質上是由位于正和負極的兩個石墨烯/二硫化鉬肖特基結和位于溝道的二硫化鉬n/n-結串聯而成。在負柵壓下，處于截止態的肖特基結將使器件處于全關態；在光照時，氮化硼光柵層將捕獲光生載流子，從而屏蔽柵壓的調控作用，使肖特基結處于導通態，進而使得二硫化鉬n/n-結的整流特性得以呈現，器件處于整流態（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了優異的抗串擾能力；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高集成度、低功耗和智能化光電系統的極大潛力（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：全關態（0,0）、全開態（1,1）和整流態（0,1）或（1,0）。 

　　圖3. 二硫化鉬光控二極管。a. 器件結構示意圖；b. 局部截面TEM圖像；c. 圖b白色虛線區域元素分布圖；d. 圖b黑色虛線區域元素分布圖；e. IA-VA特性（VG = 0 V）；f. 在暗態和光照下的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（VA > 0）；b. 全關態（VA < 0）；c. 數據寫入過程；d. 整流態（VA > 0）；e. 整流態（VA < 0）；f. 數據擦除過程。 

　　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