中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-027）——新型感存算一体光电探测器

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工作简介

         ——新型感存算一体光电探测器

中国科学院上海技物所红外科学与技术重点实验室（红外物理国家重点实验室）胡伟达、苗金水团队在国际上首次提出基于离子-电子耦合效应的感存算一体神经形态光电器件，模拟人类视觉感知功能，解决了传统智能感知系统分立式架构带来的高延迟和高功耗难题。研究成果以“可重构、非易失神经形态光伏器件（Reconfigurable, non-volatile neuromorphic photovoltaics）”为题，在2023年7月20日发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）。

随着物联网时代的到来，数据量呈爆炸式方式增长。而基于物理分离的传感器单元和处理器单元，在传感器模拟信号与处理器的数字信号的转换以及大量数据在感知、处理和存储单元的调用，给机器视觉带来了高的延迟、功耗和低的空间利用率。而人眼视网膜可以高效的获取信息，通过实时的感知和处理获取的图像信息，完成对外界特征信息的识别。这主要归功于视网膜的结构和功能：人眼视网膜主要由感光细胞和双极细胞组成，感光细胞可以分辨光强、红绿蓝等光学信息，双极细胞可以增强/抑制视觉信号，从而完成视觉信息的预处理过程。这样的功能，特别的提取有用信息，可以称之为预处理的过程，给人大脑做了一层过滤的作用，降低了大脑处理图像信息的复杂程度。当前，研究人员已经开发出基于体材料和二维（2D）材料的视网膜启发的器件，如可变灵敏度光电探测器（VSPD），双栅光电二极管，两端光电存储器和栅极可调视觉传感器。然而，这些器件受到高的偏置电压带来暗电流、神经网络的易失性光电流、复杂制备工艺和低的光响应度的影响。而基于两端可重构、非易失的神经形态光伏器件能够兼容后端CMOS工艺大规模集成，简化神经网络的硬件结构，是神经形态图像传感器向生物图像传感器在结构和功能上迈进的一大步。
感存算一体光电探测器是两端背靠背肖特基结的离子型器件，为实现器件的可重构、非易失的光响应态，通过O₂和Ar等离子体软刻蚀的方式(纳米刻蚀技术)，在电极下方的MoS₂中引入硫空位，如图1(a)所示。在器件制备的过程中，沟道的MoS₂保持完好的晶格结构，这样不影响二维材料对光的吸收，实现较好的光响应调制。图1(b)是感存算一体光电探测器的SEM图，图1(c-d)展示了等离子体刻蚀后电极下MoS₂的TEM图和EDS 谱图，说明了在MoS₂的界面处出现的S元素的缺失，即硫空位的出现。同时，在电场作用硫空位的迁移影响两端金属-MoS₂接触的肖特基结的势垒，从而能够实现对器件的光短路电流的调制，在15 V，10 s的脉冲电压的编程下，光短路电流从10 nA变为-13 nA，如图1(e-f)所示。
图1. 感存算一体光电探测器的结构与特性。(a) 感存算一体光电探测器结构原理图；(b) 感存算一体光电探测器的SEM图；(c)(d) 电极下MoS₂的TEM截面图和EDS mapping图；(e)(f) 在施加15 V 10 s的脉冲电压前后感存算一体光电探测器暗态和光态的电流表征。
为探索感存算一体光电探测器中可重构、非易失光响应的来源，设计了原位的光电流和硫空位迁移的表征。图2(a)和图2(b)是等离子处理后和原始MoS₂器件在初态(i)，施加负向电压脉冲后(ii)，施加正向电压脉冲后(iii)和提出的光电流在沟道变化曲线(iv)的光电流测试。对于等离子处理后的器件，初始状态光电流在源和漏两端区域分布极性相反，数值相同；在施加负向脉冲后，源端光电流增强而漏端光电流几乎消失；反之，在施加正向脉冲电压后，源端光电流几乎消失而漏端光电流增强。光电流谱扫描时间均在15分钟以上，实验中测试器件的光电流均是在0 V，光照条件下测试的。表明了光短路电流的可重构和非易失的特性。对于原始的两端MoS₂器件，在电压脉冲作用下光电流谱未有明显的变化，且电流幅值在pA量级，远小于等离子处理后MoS₂器件的nA量级。这表明了硫空位在参与对器件光电流调控的主导作用。
图2. 感存算一体光电探测器原位光电流和硫空位迁移表征。(a) 感存算一体光电探测器在初态(i)，施加负向脉冲后(ii)，施加正向脉冲后(iii)光电流图以及提取的光电流曲线(iv)；(b) 原始的MoS₂光电探测器在初态(i)，施加负向脉冲后(ii)，施加正向脉冲后(iii)光电流图以及提取的光电流曲线(iv)；(c-e) 在电压脉冲编程下硫空位迁移的WDS图(i)和对应的元素谱线图(ii)。
进一步，为能够观察到在电场作用下器件沟道中硫空位的迁移，需要在1 μm的小尺寸下测试MoS₂中硫原子的分布。采用了波长色散波谱仪(WDS)的测试方法给出了器件中硫原子的分布。初始状态下，通过WDS图(2c i)和元素谱线(2c ii)说明硫原子在器件中分布均匀；在施加-10 V，10 s的脉冲电压后，WDS图(2d i)和元素谱线(2d ii)显示硫原子在漏端耗尽，证明了硫空位向漏端迁移；而在施加正向负向脉冲电压(-10 V，10 s/10 V，10 s)后，在WDS图(2e i)和元素谱线(2e ii)表明硫原子在沟道中重新均匀分布。原位的硫原子的表征，证实了硫空位在器件中的迁移，给出了光电流可重构特性来源于硫空位在电场下的迁移的直接证据。
感存算一体光电探测器具有多的正/负非易失光响应态，大范围的光响应的线性区间，以及较好的光响应可重构特性。如图3(a)所示，感存算一体光电探测器可以实现11个不同的非易失光响应态，态的存储时间在10³ s以上。同时，如图3(b)所示，光响应态的线性范围达到4000 mW/cm²，最大0 V响应度为369.2 mA/W。在正向和负向电压脉冲调制下，可以实现光响应的重构，如图3(c)所示。感存算一体光电探测器在脉冲电压作用下也可以对电导态进行调制，在实验中，得到了168个不同的可重构电导态。利用感存算一体光电探测器可以实现对图像的预处理，同时结合可重构的光响应态和电导态可以实现对图像目标检测的任务，如图3(d)所示，识别率大于96%。
图3. 感存算一体光电探测器性能及应用。(a) 感存算一体光电探测器11个非易失光响应态；(b) 感存算一体光电探测器光电流与光功率的线性关系；(c) 正向和负向电压脉冲对器件的光电流可重构调制；(d) 感存算一体光电探测器用于神经网络目标检测的任务。
感存算一体光电器件不仅在机理上分析了硫空位分布对光电子的输运影响，也为未来大规模神经形态视觉应用提供了多种训练的可能，应用于未来神经形态光子芯片。该研究成果发表在Nature Nanotechnology期刊上。该工作由中国科学院上海技术物理研究所完成。中国科学院上海技术物理研究所博士生李唐鑫为论文第一作者，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员、苗金水研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院和上海市科技委等项目资助。

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作者简介

通讯作者

胡伟达，研究员，博导，中科院上海技术物理研究所所务委员、红外物理国家重点实验室主任。国家杰出青年基金、中国青年科技奖获得者，先导专项、国家重点研发计划首席科学家，国家重大仪器研制项目、基础加强重点项目负责人，Clarivate全球高被引学者，上海市自然科学一等奖（第一完成人）。

长期从事红外探测器及其智能芯片应用研究。曾获优青、青拔、英国Royal Society-Newton Advanced Fellowship、中国物理学会萨本栋应用物理奖、上海市优秀学术带头人、上海青年科技英才、上海市启明星等计划和奖励。现任Small编辑顾问委员会委员，Infrared Physics & Technology副主编，Optical and Quantum Electronics执行主编，Earth & Space：from Infrared to Terahertz International Conference (ESIT 2023) 执行主席，International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD) 程序委员。红外与毫米波学报、红外技术、红外与激光工程编委。第一、通讯在Science、Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Electronics等国际学术期刊共发表论文150余篇，总引用21000余次，h因子82。第一发明人授权中国发明专利14项。

通讯作者

苗金水，研究员，博导，国家海外高层次青年人才，中国科学院上海技术物理研究所国重学术带头人， IEEE Open J. Nanotech 副编辑。

主要从事智能红外光电器件与芯片、红外探测器物理以及III-V族红外半导体的研究。近几年，作为负责人主持国家自然科学基金委重点/国际合作、科技委智能感知、国家重点研发计划等项目，以第一/通讯作者在Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Science Advances、Nano Letters、ACS Nano、Light: Science & Applications、Small等期刊发表论文40余篇，他引3000余次，申请发明专利10余项。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature‍.com/articles/s41565-023-01446-8

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！