未來(lái)集成電路的發(fā)展呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)，其中光電芯片可實(shí)現(xiàn)光傳輸及信息處理功能。通過(guò)與現(xiàn)代電子芯片技術(shù)的底層融合，支撐未來(lái)大容量、低功耗、集成化與智能化信息芯片技術(shù)的發(fā)展需求。其中，二極管作為一種重要的基本電學(xué)元件，在集成電路、大功率驅(qū)動(dòng)、光學(xué)成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和功能也十分豐富（圖1）。
光電探測(cè)器是一類(lèi)通過(guò)電信號(hào)探測(cè)光信號(hào)的重要半導(dǎo)體器件，包括光電二極管、光電晶體管和光電導(dǎo)等。盡管種類(lèi)繁多，但光電探測(cè)器的信號(hào)狀態(tài)在光照前后可歸納為全關(guān)態(tài)（0,0）、全開(kāi)態(tài)（1,1）以及整流態(tài)（0,1）或（1,0）三類(lèi)（圖2）。已往的光電探測(cè)器可以實(shí)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(shí)現(xiàn)由整流態(tài)向全開(kāi)態(tài)轉(zhuǎn)換，以及以光電導(dǎo)和光電晶體管為代表的器件實(shí)現(xiàn)由全關(guān)態(tài)向全開(kāi)態(tài)轉(zhuǎn)換。從圖中的電學(xué)行為的完備性出發(fā)，理論上應(yīng)存在一類(lèi)由全關(guān)態(tài)向整流態(tài)轉(zhuǎn)換的新型器件。
近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的科研人員提出了一種光控二極管，通過(guò)異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)與構(gòu)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(shí)現(xiàn)了由全關(guān)態(tài)向整流態(tài)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而構(gòu)筑出首例無(wú)需選通器件的光電存儲(chǔ)陣列。研究成果于2022年5月10日在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）在線發(fā)表，題為“一種具有新信號(hào)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(gòu)筑了光控二極管。在一定的柵壓下，黑暗時(shí)器件表現(xiàn)為全關(guān)態(tài)，而光照時(shí)則轉(zhuǎn)換成整流態(tài)，且具有超過(guò)106的電流開(kāi)關(guān)比（圖3）。同時(shí)，器件具有光電探測(cè)器行為，其響應(yīng)度超過(guò)105 A/W，響應(yīng)速度小于1s；當(dāng)六方氮化硼厚度逐步增加時(shí)，光控二極管的器件行為轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆姶鎯?chǔ)器，并獲得迄今最高的非易失響應(yīng)度（4.8 107 A/W）和最長(zhǎng)的保留時(shí)間（6.5 106 s）（圖4）。
通過(guò)器件能帶結(jié)構(gòu)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(fù)極的兩個(gè)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(fù)柵壓下，處于截止態(tài)的肖特基結(jié)將使器件處于全關(guān)態(tài)；在光照時(shí)，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(dǎo)通態(tài)，進(jìn)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(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)筑了3 3像素的光電存儲(chǔ)陣列，首次在無(wú)選通器件的條件下展現(xiàn)了優(yōu)異的抗串?dāng)_能力；同時(shí)，基于器件對(duì)不同波長(zhǎng)和強(qiáng)度光信號(hào)響應(yīng)的差異，研究人員演示了陣列對(duì)光信號(hào)的探測(cè)及處理功能，表明了光控二極管具有實(shí)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?yàn)楣餐谝蛔髡?，孫東明、劉馳和成會(huì)明為論文的通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目支持。
圖1. 二極管的基本器件類(lèi)型。
圖2. 光電探測(cè)器件的基本電流狀態(tài)：全關(guān)態(tài)（0,0）、全開(kāi)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(gòu)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(chǔ)特性。a. 存儲(chǔ)特性；b. 開(kāi)關(guān)特性；c. 405 nm光非易失響應(yīng)度和探測(cè)度；d. 638 nm光非易失響應(yīng)度和響應(yīng)度；e-f. 基于不同材料體系的器件性能對(duì)比。
圖5. 工作機(jī)制。a. 全關(guān)態(tài)（VA > 0）；b. 全關(guān)態(tài)（VA < 0）；c. 數(shù)據(jù)寫(xiě)入過(guò)程；d. 整流態(tài)（VA > 0）；e. 整流態(tài)（VA < 0）；f. 數(shù)據(jù)擦除過(guò)程。
圖6. 光電存儲(chǔ)器陣列應(yīng)用示例。a. 無(wú)選通器的3 3光電存儲(chǔ)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(wú)串?dāng)_功能驗(yàn)證；f. 波長(zhǎng)依賴(lài)關(guān)系驗(yàn)證；g. 功率依賴(lài)關(guān)系驗(yàn)證。
