【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】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(shí)現(xiàn)光傳輸及信息處理功能，通過與現(xiàn)代電子芯片技術(shù)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(shù)的發(fā)展需求。二極管作為重要的基本電學(xué)元件，在集成電路、大功率驅(qū)動、光學(xué)成像等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價(jià)值，其結(jié)構(gòu)和功能十分豐富(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(dǎo)體器件，包括光電二極管、光電晶體管和光電導(dǎo)等。盡管光電探測器種類繁多，但光電探測器的信號狀態(tài)在光照前后可歸納為全關(guān)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(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)存在一類由全關(guān)態(tài)向整流態(tài)轉(zhuǎn)換的新型器件。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所提出了一種光控二極管，通過異質(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，同時(shí)，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)筑出首例無需選通器件的光電存儲陣列。5月10日，相關(guān)研究成果以《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)為題，在線發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上。
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106的電流開關(guān)比(圖3)。同時(shí)，器件具有光電探測器行為，其響應(yīng)度超過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ζ鳎@得迄今最高的非易失響應(yīng)度(4.8×107 A/W)和最長的保留時(shí)間(6.5×106 s)(圖4)。
研究通過器件能帶結(jié)構(gòu)的分析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)。研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)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?dāng)_能力；基于器件對不同波長和強(qiáng)度光信號響應(yīng)的差異，研究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(shí)現(xiàn)高集成度、低功耗和智能化光電系統(tǒng)的潛力(圖6)。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的支持。
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(guān)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(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特性。a、存儲特性；b、開關(guān)特性；c、405 nm光非易失響應(yīng)度和探測度；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(yīng)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?dāng)_功能驗(yàn)證；f、波長依賴關(guān)系驗(yàn)證；g、功率依賴關(guān)系驗(yàn)證。
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