未來集成電路的發展呈現出多元化發展趨勢，其中光電晶片可實現光傳輸及資訊處理功能。通過與現代電子晶片科技的底層融合，支撐未來大容量、低功耗、集成化與智能化資訊晶片科技的發展需求。其中，二極體作為一種重要的基本電學元件，在集成電路、大功率驅動、光學成像等領域具有重要應用，其結構和功能也十分豐富（圖1）。
光電探測器是一類通過電信號探測光訊號的重要半導體器件，包括光電二極體、光電電晶體和光電導等。儘管種類繁多，但光電探測器的訊號狀態在光照前後可歸納為全關態（0,0）、全開態（1,1）以及整流態（0,1）或（1,0）三類（圖2）。已往的光電探測器可以實現兩種狀態的相互轉換，以光電二極體為代表的器件實現由整流態向全開態轉換，以及以光電導和光電電晶體為代表的器件實現由全關態向全開態轉換。從圖中的電學行為的完備性出發，理論上應存在一類由全關態向整流態轉換的新型器件。
近日，瀋陽材料科學國家研究中心的科研人員提出了一種光控二極體，通過異質結的設計與構築，器件獲得了新型光電整流特性，光照條件下電流狀態實現了由全關態向整流態的轉換，進而構築出首例無需選通器件的光電存儲陣列。研究成果於2022年5月10日在《國家科學評論》（National Science Review）線上發表，題為“一種具有新信號處理行為的光控二極體（A photon-controlled diode with a new signal processing behavior）”。
科研人員使用二硫化鉬n/n-結作為溝道，利用石墨烯作為接觸電極、六方氮化硼作為光栅層資料，構築了光控二極體。在一定的栅壓下，黑暗時器件表現為全關態，而光照時則轉換成整流態，且具有超過106的電流開關比（圖3）。同時，器件具有光電探測器行為，其響應度超過105A/W，響應速度小於1s；當六方氮化硼厚度逐步增加時，光控二極體的器件行為轉變為光電記憶體，並獲得迄今最高的非易失響應度（4.8×107A/W）和最長的保留時間（6.5×106s）（圖4）。
通過器件能帶結構的分析，研究人員闡明了器件的工作原理。光控二極體本質上是由位於正和負極的兩個石墨烯/二硫化鉬肖特基結和位於溝道的二硫化鉬n/n-結串聯而成。在負栅壓下，處於截止態的肖特基結將使器件處於全關態；在光照時，氮化硼光栅層將捕獲光生載流子，從而遮罩栅壓的調控作用，使肖特基結處於導通態，進而使得二硫化鉬n/n-結的整流特性得以呈現，器件處於整流態（圖5）。研究人員進一步設計構築了3×3點數的光電存儲陣列，首次在無選通器件的條件下展現了優异的抗串擾能力；同時，基於器件對不同波長和强度光訊號響應的差异，研究人員演示了陣列對光訊號的探測及處理功能，表明了光控二極體具有實現高集成度、低功耗和智能化光電系統的極大潜力（圖6）。
馮順為論文的第一作者，韓如月和張莉莉為共同第一作者，孫東明、劉馳和成會明為論文的通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計畫項目、國家自然科學基金專案、中科院先導項目、瀋陽材料科學國家研究中心等項目支持。
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圖1.二極體的基本器件類型。
圖2.光電探測器件的基本電流狀態：全關態（0,0）、全開態（1,1）和整流態（0,1）或（1,0）。
圖3.二硫化鉬光控二極體。a.器件結構示意圖；b.局部截面TEM影像；c.圖b白色虛線區域元素分佈圖；d.圖b黑色虛線區域元素分佈圖；e.IA-VA特性（VG= 0 V）；f.在暗態和光照下的IA-VA特性（VG= -60 V）；g.等效電路圖。
圖4.光控二極體的光電存儲特性。a.存儲特性；b.開關特性；c. 405 nm光非易失響應度和探測度；d. 638 nm光非易失響應度和響應度；e-f.基於不同資料體系的器件性能對比。
圖5.工作機制。a.全關態（VA> 0）；b.全關態（VA< 0）；c.數據寫入過程；d.整流態（VA> 0）；e.整流態（VA< 0）；f.數據擦除過程。
圖6.光電記憶體陣列應用示例。a.無選通器的3×3光電存儲陣列；b.局域放大影像；c.製作完成的器件陣列；d.等效電路圖；e.無串擾功能驗證；f.波長依賴關係驗證；g.功率依賴關係驗證。