河南师范大学Adv. Funct. Mater.: 偏置调制实现高效光信号检测的光电探测器

【研究背景】

图像处理已成为一类典型的数据密集型计算任务，其中光电探测器是捕捉各种图像的基石，其近期发展主要由光子集成电路和自动化等新兴技术推动。随着高清图像传感器的普遍应用，传统处理器逐渐无法满足实时图像处理的需求，这推动了传感器内图像处理技术的进步。直接在传感器内实现实时图像处理，是传感器 - 计算集成系统发展的关键。在最近的进展中，以人眼视网膜为灵感的神经形态器件脱颖而出，它们利用光响应性模仿神经网络权重，有效地在传感器上执行“MAC”（乘积-累加）操作和卷积计算。因此，神经形态特征使它们成为实现传感器 - 计算集成的理想选择。这些新技术通过便捷方式不断推动光电探测器通过 调控响应性、提高探测率和降低功耗来实现传感器-计算集成。然而，基于硅、锗 和III-V族半导体等块体材料的传统光电探测器无法满足神经形态响应性的要求。

二维材料是神经形态光电探测器的有前景材料平台，其具有强大的 光-物 质相互作用、可调带隙、与现有半导体生产线的兼容性，以及原子级异质结界面的特点。特别是基于异质结的光电探测器，如α-In ₂ Se ₃ /PdSe ₂ 、β-In ₂ Se ₃ /Te、MoS ₂ /黑磷和MoTe ₂ /h-BN/石墨烯等，他们主要依赖光伏模式，并展现出高探测率。然而，由于缺乏增益机制，其响应性通常较低。此外，光伏结构的形成受制于材料掺杂调控的限制。

另一种配置是通常基于同质材料的光电导光电探测器，如As _0.4 P _0.6 -MoTe ₂ 、Te/In ₂ S ₃ 和MoTe ₂ /hBN/石墨烯光电探测器。这些器件由于陷阱辅助增益机制，通常具有高响应性。然而，它们通常伴随着大的暗电流，这限制了器件实现高探测率。为了减少暗电流，通常引入第三终端作为栅极来调控响应性，但额外终端增加了复杂度，不利于大规模集成。无论是光伏光电探测器还是光电导二维器件，针对每个器件都需要调制栅极电压，这对于资源密集型边缘设备来说是不利的。为了促进传感 器-计 算的实际部署，迫切需要开发能自主增强现场成像的新型光电探测器。

【成果介绍】

鉴于此，河南师范大学夏从新教授和蒋玉荣教授团队发表了题为“Bias-Managed Photodetection Within Drain Interconnected Semi-Gate Diode”的工作在Advanced Functional Materials期刊上。该工作报告了一种基于二维MoS ₂ 和CIPS介电层的、漏极互连半栅光电二极管，该器件展现出无需任何调制栅极的偏置依赖光电探测（BD-PD）。根据理论计算结果，形成I型对齐取决于同时施加在漏极和半栅上的偏置。这种独特的结构设计产生了独特的光电特性，可赋予自主调节光电性能的能力。此外，BD-PD展示了同时达到的高探测率（D ^* ）8 × 10 ¹⁴ Jones和响应性（R）3454 A W ^-1 。这些具有自身噪声降低和改进光电性能的器件，这在图像预处理和光通信中具有潜在的应用价值。

【图文导读】

图 1. 偏压调制的BD-PD能带排列和基本结构。偏压相关的 a) MoS ₂ 能带结构和 b) 能带偏移。c) 偏压引起的I型能带排列示意图。d) BD-PD的结构示意e) BD-PD的等效电路和符号。f) 光学显微照片。g) 用AFM测量MoS ₂ 和CIPS纳米片的厚度。h) CIPS厚度为40  nm时不同频率薄片下的介电常数。i) MoS ₂ 和CIPS纳米片的拉曼光谱。

图 2. 光电探测性能的偏压依赖性。a) 暗条件和不同扫描范围的405 nm激光照射下的I _ds -V _ds 特性。b) 从图2a中提取的相应光暗电流比。c) D ^* 和R与扫描电压的关系。d) 器件在不同功率的 405 nm 激光照射下的I _ds -V _ds 特性。e) 不同功率密度下的电流颜色映射。f) 从图 2a 中提取的偏压相关响应度。g) V _ds = −1 V 时响应度R（蓝线）和探测率D ^* （红线）对光功率的依赖性。h) V _ds = 0.5 V 时的时间分辨光响应。i) 本工作器件与之前报告的性能对比。

图 3. 偏压依赖性的光电探测机制。a) 偏压依赖性暗电流。b) 与传统MoS ₂ 光电二极管暗电流的比较。c) 整流比的偏压依赖性。d) BD-PD 的SEM图像。在光照下扫描光电流映射图像（e）V _ds = 1 V 和（f）V _ds = −1 V。g) 从图2a中提取的黑暗条件和405 nm激光照射下的ln(I/V ² )与1/V图。h) 在正偏压和i) 负偏压下，黑暗条件和光照下的同质结的能带图。

图 4. 偏置调制光通信和图像增强。a) 光通信系统通过代码传输ASCII码“HTU”的输入和输出信号。b) 通过ASCII码输出BD-PD信号。c) 405 nm光通信系统示意图。d) 光电流和暗电流的偏置依赖性。e) 偏置相关响应度和 f) 韦伯对比度。g) 偏置相关图像增强。

【总结展望】

总之，本工作报道了一种基于MoS ₂ 和CIPS介电层的偏压依赖型I型光电二极管，其中漏极与半栅极互连。根据理论计算，I型同质结的形成取决于同时施加在漏极和栅极上的偏压。器件的光电特性表现为随着偏压的增加，暗电流减小，光电流增强。此外，BD-PD同时表现出8×10 ¹⁴ Jones的高探测率（D ^* ）和3454 A W ^-1 的响应率（R），这克服了响应率和探测率之间的权衡问题。通过偏置依赖性增强的光通信和图像处理，代表了神经形态光电子学领域的一个重要进展。

【文献信息】

上