二维光电子器件的范德华集成

主要完成人：翟天佑、周兴、刘开朗

随着光电子器件技术的飞速发展和硅基集成电路的器件尺寸日益逼近其物理极限，传统的半导体材料面临着前所未有的挑战，急需开发新型的半导体材料以打破上述尺寸极限。《“十四五”国家信息规划》中提出：前瞻性布局战略性、前沿性、原创性、颠覆性技术，加强集成电路、神经芯片、非硅基半导体等关键前沿领域的战略研究布局和技术融通创新。而二维半导体由于表面效应、和量子限域效应而带来的高载流子迁移率、可调的光电属性、良好的机械柔性以及半导体工艺可兼容性等优点，有望成为硅基半导体的继任者，推动国防科技、信息通讯以及新兴产业的持续发展。目前的光电子器件在追求高性能的进程中主要存在以下瓶颈：1）传统光电探测器仅能探测光信号而不具有数据处理功能，需要借助计算机系统完成进一步的处理和识别，该过程中需要传输和处理大量的冗余数据，难以满足日益增长的图像信息处理需求。2）光电器件集成时，介电材料表面的悬挂键会造成载流子散射，严重影响半导体的光电性质，使器件性能大打折扣，难以实现高性能光电子器件的集成。针对上述瓶颈，本项目从二维材料的界面调控出发，实现了二维光电子器件的高性能范德华集成。

图1. a)双极性二维异质结的结构和器件示意图、光学照片；b)栅压和波长依赖的正负光响应；c)正负光响应的能带排列；d)遥感图像识别

针对光电探测器光信号探测和识别分离的瓶颈，本项目创新性地设计了双极性二维范德华异质结（PdSe₂/MoTe₂），通过电场调控其能带耦合类型，实现了异质结界面电场的可逆翻转，使其光响应正负连续可调，打破了传统半导体异质结单极性光响应的物理限制。并基于正负连续可调的光响应在硬件层面实现了图像识别的感算一体化，突破了传统图像识别中光信号探测和信息数据处理分离的瓶颈。通过栅压调控异质结的能带耦合类型，使其在II型和III型之间可逆转变，导致其界面电场可逆翻转，进而实现了光响应的正负连续可调。基于上述优异的光电特性，利用基于二维PdSe₂/MoTe₂异质结的光电探测器对包含大量光谱信息的遥感图像实现了图像锐化和边缘增强等多种图像预处理。在此基础上，实现了宽光谱图像的精确识别，识别精度达到100%。这是首次在硬件层面上实现宽光谱图像识别的感算一体化处理。相关研究在Nat. Electron.期刊上发表，并被Sci. China Mater.、《科学通报》、Tech Xplore等国内外多个知名期刊、网站重点评述和报道：成会明院士认为“为感算一体光电器件提供了一种全新的设计思路，将引领该领域的发展”；刘忠范院士认为“这是首次在硬件层面上实现宽光谱图像识别的感算一体化处理”。

图2. a)热蒸镀法制备Sb₂O₃薄膜示意图；b)厚度可控的晶圆级Sb₂O₃薄膜；c, d) Sb₂O₃薄膜作为介电层的晶体管器件迁移率和亚阈值摆幅

针对介电层与半导体材料不兼容的问题，本项目通过热蒸镀方法实现了晶圆级Sb₂O₃范德华介电薄膜的可控制备及其与二维材料的器件集成。与SiO₂等传统介电材料相比，Sb₂O₃薄膜表面具有更少的载流子散射源和陷阱态，将其作为介电层与二维半导体构筑而成的场效应晶体管具有更高的迁移率和工作稳定性。例如：单层MoS₂场效应晶体管的迁移率从26提高到145 cm²V^-1s^-1，转移特性曲线的回滞减小了一个数量级。蒸镀的Sb₂O₃薄膜在二维材料表面可形成超薄的致密薄膜，将其作为MoS₂场效应晶体管的顶栅介电层，可大幅提高栅极电容，晶体管的操作电压（1 V以内）和功耗都得到明显降低。此外，Sb₂O₃薄膜展现出优良的环境稳定性，将其作为二维光电子器件的范德华封装层，大幅提高了二维材料的环境稳定性和器件的服役寿命。相关研究在Nat. Electron.、Advanced Materials等期刊上发表，并被Nat. Electron.、Sci. Bull.、国家自然科学基金委官网、Tech Xplore等国内外多个知名期刊、网站重点评述和报道：Nat. Electron.认为“器件表现出接近理想值的亚阈值摆幅和高的开关比”；张跃院士认为“这是先驱性的工作”。