关贺元、卢惠辉教授团队在半导体微纳光电集成器件领域取得重要成果

  近日，暨南大学物理与光电工程学院光波导集成技术与器件团队的关贺元教授、杨铁锋副教授、卢惠辉教授团队在半导体微纳光电集成器件领域发表论文，题为“Dual-Crossbar Configurated Bi2O2Se Device for Multiple Optoelectronic Applications ”的重要研究成果发表在光学学科高水平期刊“Laser Photonics & Reviews”（影响因子11.0）上。

图1. 双交叉器件结构和神经元突触器件示意图。

研究背景：器件架构的优化和材料创新策略在过去几十年一直在引领集成电路领域的进展，带来了芯片性能的极大提升。然而，这条路线已经接近人类认知与工业制造的极限，在后摩尔时代如何保持芯片算力的高速增长已成为当务之急，也是当今科研和产业

界需要解决的挑战。自从石墨烯的发现以来，具有极限的横向/纵向比以及极限的表/体比的二维半导体材料由于其新颖的物理性质及其在集成电路领域的应用前景受到了广泛关注。

研究动机：目前，二维半导体的横向尺寸最大可达12英寸，而垂直尺度仍然可以控制在1纳米以下，因此，大的横向尺寸可以满足晶圆级的制造需求，而超薄的垂直尺度可以突破摩尔定律的限制，轻松把半导体芯片制程推进到亚纳米。此外，极限的表体比把二维晶格几乎全部暴露在表面，因而表面特性主导最终器件的性能。然而，较少研究人员关注到，可以把这些本征的优势都集成在同一个器件上，实现高度集成的多功能光电器件。

图2. 器件制作流程示意图和对应的器件照片。

研究进展：该团队提出一种双交叉的器件结构，通过定点光刻套刻的方式在二维Bi2O2Se半导体的上下表面分别加工出两套垂直放置的电极，构建了类似三明治的结构，因此基于同一个Bi2O2Se纳米片获得了高度紧凑的三合一器件，即底面水平（BSH），中间夹层垂直（MSV）和顶面水平（TSH）的器件。水平配置的器件（BSH和TSH）受限于光刻加工精度的限制，沟道尺寸保持在微米尺度，而垂直配置的器件（MSV）沟道尺寸则由二维Bi2O2Se纳米片的厚度决定，可以轻松突破瑞利判据决定的加工精度到达纳米尺度。此外，一般器件的构筑都是将半导体材料放置在一块衬底上，然后通过微纳加工技术获得器件，前人的研究也发现衬底对器件性能的影响同样重要；同时，作为光探测器件来说，通常外部的刺激（如光照）从器件的顶端施加，所以器件的上表面相比下表面更早接收刺激产生反馈。在此工作中，半导体沟道上下表面的电信号可以分别由两套电极收集导出，因此双交叉结构的使用，赋予了该研究团队可以在同一个纳米片上，系统对比上下表面的器件行为，以及对比水平微米沟道和垂直纳米沟道的光电响应特性。

图3. 三类器件的光电响应特性表征。

   研究结果表明，具有纳米级沟道的MSV器件具有更高效的光生电子和空穴对的分离和短沟道传输的优势，因而对光刺激的响应更快，与BSH和TSH器件相比更有优势。由于BSH器件与衬底的接触更紧密，BSH器件的光电行为可以通过衬底的特性来调节。特别地，TSH器件的性能对外部环境更敏感，以及Bi2O2Se自身低热导率和辐射热效应的存在使得该器件对外部光照变化体现出非易失特性，进一步地通过施加光脉冲测试发现，TSH器件可以用于模拟人脑的神经元突触的工作原理，作为人工光电突触器件，可以模仿人类学习过程的记忆与遗忘过程。

图4. 基于TSH器件的人工神经元突触器件。

  基于二维材料本征的超薄和超灵敏表面优势来构建高度紧凑的多功能集成光电子器件，这一思路用于构建高性能光电器件具有巨大的研究和应用潜力，为基于低维半导体的高性能光子器提供了一条可行的途径。这项研究工作也得到了合作者上海技术物理研究所的王振研究员的大力协助，得到了国家自然科学基金、国家重大专项、广东省自然科学杰出青年基金、广东省国际合作项目、广州市科技计划项目和暨南大学等项目大力支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202301129