光电探测器领域迎重要进展，中科院团队实现由全关态向整流态转换( 二 )

文章图片
（来源：NationalScienceReview）
在受到光信号激励前后，光电探测器的输出电流-电压关系的变化情况具有三种典型的状态：全关态、全开态以及整流态。例如，以光电二极管为代表的典型器件受到光照后，输出信号由整流态变成全开态。另一方面，以光电导和光电晶体管为代表的一类器件的输出信号表现为由全关态变为全开态。
从信号变化类型的完备性来看，可能存在一类器件使输出信号由全关态变为整流态。这类新型光电探测器件的实现，有望在光逻辑、信息处理、高精度成像等光电系统中发挥关键作用。例如，如果使用它作为基本像素单元，即可构建一个无需选通器的抗串扰光电阵列。
因为阵列中每一条可能的泄漏路径都被它的整流作用所切断了，它本身就起到了开关的作用，因而不再需要另一个选通器件，这能极大节省了电路面积和复杂度，为最终实现高集成度阵列奠定了基础。

文章图片
（来源：NationalScienceReview）
为了实现这种新型器件，该团队选择了具有优异光电性能的二维材料作为器件材料，同时和体材料一起构筑异质结器件。具体地，其将MoS2n/n?结插在两个石墨烯/MoS2肖特基结之间构成沟道，使用BN材料作为光栅层，通过捕获和释放光生载流子来控制肖特基结的开与关，进而显现或抑制MoS2n/n?结的整流特性，从而在光照下首次实现器件电流状态由全关态向整流态转换的新信号行为。
构筑无选通器件的3×3光电存储阵列

文章图片
在光控二极管的研究开展之前，课题组已经在光电领域开展了一系列研究工作，包括碳纳米管光电存储器[2]、碳纳米管神经形态光电传感器阵列[3]、双异质结光电晶体管[4]和晶圆级MXene光电探测阵列[5]等。
他们发现为了避免串扰，光电器件在阵列集成时，必须在阵列单元增加额外的选通器件来控制泄漏电流，这本征的限制了系统的集成度。刘驰表示：“我们不禁思考，有没有可能开发出一种光电器件，能够在不使用选通器件的情况下实现无串扰阵列？”
在开展文献调研工作后，该团队认为如若实现此功能，必须开发出一种新型的光电器件，它能够在光照下实现“全关”到“整流”两种状态间的转换才行。基于此，课题组开始了器件的设计和构筑工作。

文章图片
（来源：NationalScienceReview）
其主要研究思路是将两个肖特基结和一个整流结（二极管）串联到一起，通过光栅层控制肖特基结的截止或导通，以抑制或显现二极管的整流功能，从而实现器件从“全关态”到“整流态”的切换。
具体到材料选择上，结合该团队此前的研究经验，使用二维层状材料作为器件的主体部分，其中石墨烯作为电极材料，二硫化钼n/n?结作为沟道材料，六方氮化硼作为光栅层。
研究中，他们通过干法转移的方式制备了范德华异质结，进而利用氧等离子体处理、电子束曝光、反应离子刻蚀和电子束蒸镀等器件工艺，实现了光控二极管的构筑。

文章图片
（来源：NationalScienceReview）
在单个器件构筑完毕后，又进行了电学和光电表征。在一定的栅压下，黑暗时器件表现为全关态，而光照时则能够转换成整流态，且具有超过106的整流比，这给予课题组极大的鼓舞。