金属所孙东明、刘驰和成会明等发明一种光控二极管

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未来集成电路的发展呈现出多元化发展趋势，其中光电芯片可实现光传输及信息处理功能。通过与现代电子芯片技术的底层融合，支撑未来大容量、低功耗、集成化与智能化信息芯片技术的发展需求。其中，二极管作为一种重要的基本电学元件，在集成电路、大功率驱动、光学成像等领域具有重要应用，其结构和功能也十分丰富（图1）。
　　光电探测器是一类通过电信号探测光信号的重要半导体器件，包括光电二极管、光电晶体管和光电导等。尽管种类繁多，但光电探测器的信号状态在光照前后可归纳为全关态（0,0）、全开态（1,1）以及整流态（0,1）或（1,0）三类。已往的光电探测器可以实现两种状态的相互转换，以光电二极管为代表的器件实现由整流态向全开态转换，以及以光电导和光电晶体管为代表的器件实现由全关态向全开态转换。从图中的电学行为的完备性出发，理论上应存在一类由全关态向整流态转换的新型器件。

　　图1. 二极管的基本器件类型。

　　近日，中国科学院金属研究所的科研人员提出了一种光控二极管，通过异质结的设计与构筑，器件获得了新型光电整流特性，光照条件下电流状态实现了由全关态向整流态的转换，进而构筑出首例无需选通器件的光电存储阵列。研究成果于2022年5月10日在《国家科学评论》（National Science Review）在线发表，题为“一种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）”。
　　科研人员使用二硫化钼n/n-结作为沟道，利用石墨烯作为接触电极、六方氮化硼作为光栅层材料，构筑了光控二极管。在一定的栅压下，黑暗时器件表现为全关态，而光照时则转换成整流态，且具有超过106的电流开关比。同时，器件具有光电探测器行为，其响应度超过105 A/W，响应速度小于1s；当六方氮化硼厚度逐步增加时，光控二极管的器件行为转变为光电存储器，并获得迄今最高的非易失响应度（4.8×107 A/W）和最长的保留时间（6.5×106 s）。
　　通过器件能带结构的分析，研究人员阐明了器件的工作原理。光控二极管本质上是由位于正和负极的两个石墨烯/二硫化钼肖特基结和位于沟道的二硫化钼n/n-结串联而成。在负栅压下，处于截止态的肖特基结将使器件处于全关态；在光照时，氮化硼光栅层将捕获光生载流子，从而屏蔽栅压的调控作用，使肖特基结处于导通态，进而使得二硫化钼n/n-结的整流特性得以呈现，器件处于整流态。研究人员进一步设计构筑了3×3像素的光电存储阵列，首次在无选通器件的条件下展现了优异的抗串扰能力；同时，基于器件对不同波长和强度光信号响应的差异，研究人员演示了阵列对光信号的探测及处理功能，表明了光控二极管具有实现高集成度、低功耗和智能化光电系统的极大潜力。
　　冯顺为论文的第一作者，韩如月和张莉莉为共同第一作者，孙东明、刘驰和成会明为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中科院先导项目、沈阳材料科学国家研究中心等项目支持。
　　全文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac088


       文章来源：金属所
       成会明：国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士，清华-伯克利深圳学院教授、低维材料与器件实验室主任，中科院金属所研究员。成会明院士是国家自然科学基金委工程与材料学部咨询委员会成员、无机非金属材料学科评审专家，曾任“863”计划功能材料专家组专家，被澳大利亚研究理事会、新加坡教育部、香港地区研究资助局等国家和地区聘为外部评审专家。曾任国际刊物Carbon副主编、《新型炭材料》主编，现任国际刊物Energy Storage Materials（储能材料）主编 （影响因子>15）、Science China Materials（中国科学-材料）副主编。曾任亚洲碳协会主席、两届碳国际会议共同主席，是纳米管、石墨烯和碳科学等系列国际会议学术顾问委员，在国际会议上做特邀报告130余次，在国内外碳材料领域具有重要影响。成会明院士曾获得国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科技进步奖、美国碳学会Pettinos 奖、德国Felcht奖、桥口隆吉基金奖、辽宁省自然科学奖一等奖（2项）、美国化学会ACS Nano Lectureship奖等。他已发表学术论文550余篇，其中2007～2016年发表的论文中有ESI高被引论文72篇，论文被引用53000多次（h因子达106），获授权中国及PCT专利100余项，成立了5家高新技术材料企业。
        孙东明，男，1978年12月生，中国科学院金属研究所研究员、纳米碳基电子器件创新课题组组长，国家优秀青年科学基金获得者。2001年毕业于吉林大学电子材料与元器件专业，2006年获得吉林大学微电子学与固体电子学博士学位，2006-2012年在日本东京工业大学和名古屋大学工作。2012年，在中科院金属所先进炭材料研究工作。主要从事碳纳米管/石墨烯基柔性薄膜晶体管器件、微机电系统/压电超声波马达、印刷电子器件领域的研究。提出了气相过滤转移技术制备柔性碳纳米管薄膜晶体管电路的方法，大幅度提高了碳纳米管晶体管器件的性能，并率先实现了碳纳米管时序逻辑集成电路；提出了全碳薄膜晶体管器件的设计思路，首次制备出可塑全碳晶体管电路。        尹利长，中国科学院金属研究员，博士生导师，淮北师范大学讲席教授，吉林大学本硕博、日本访问学者，迄今共发表SCI论文80余篇，其中ESI高被引论文15篇，论文他引8000余次，H因子35。主持国家自然科学面上项目2项，青年基金项目1项。