河南师范大学Adv. Funct. Mater.: 实现复杂光电逻辑的单个铁电可切换光电探测器

成果介绍

光电逻辑门（OELGs）是逻辑电路中边缘提取、图像识别和数据加密的重要组成部分。然而，基于CMOS器件实现复杂的OELGs，由于采用固定的光检测方式，需要额外的电路配置，不可避免地使芯片的制造过程变得复杂和庞大。通过优化器件结构和采用新材料等方法，可以用最少的器件数量实现高集成度、复杂逻辑功能，提高可视化数据源的处理能力。特别是新兴的二维半导体材料，如石墨烯、过渡金属二硫族化合物（TMDs）、黑磷（BP）等，由于其优异的物理性能而备受关注二维材料与栅极可调谐性的协同结合促进了光电探测器、调制器和晶体管的重大进展，增强了基于二维器件的光电逻辑门的功能。一些基本的布尔光电逻辑已经实现基于附加配置或偏置可切换的工作模式。例如，WSe2/h-BN/Gr异质结构被用来实现与和异或光电逻辑门，Au/BP/Au集成了两个脊波导和MoTe2/CuInP2S6/Au结构，基于光触发的同质结开关极性实现异或逻辑门虽然这些新兴结构显示出实现光电逻辑的巨大潜力，但实现复杂的逻辑门行为通常需要两个以上的双门器件。在上述电路中，栅极电压和光通常用作逻辑输入。使用偏置作为附加输入仍然具有挑战性，这阻碍了单个器件实现复杂逻辑功能的实现。    

有鉴于此，河南师范大学夏从新教授和蒋玉荣教授团队提出了一种二维𝜶-In2Se3/WSe2异质结的铁电可切换光电探测器（FeS-PD），可以实现复杂的OELG功能。通过极化电压的符号和幅值，FeS-PD在光伏模式和光电导模式之间表现出铁电可调性，并伴有高电流光暗比。此外，光伏电压（开路电压）的非易失性可调谐性使偏置电压作为逻辑电路的一个输入，这使得单个器件通过编程门脉冲电压、光输入和偏置来实现复杂的异或门和与门逻辑功能。与传统的基于CMOS的逻辑门相比，FeS-PD可将非线性异或门，线性与门逻辑的晶体管数量分别减少91.7%和50%。该研究为片上光电逻辑计算电路提供了一个简单的平台。

图文导读

图1. 单一器件实现复杂光电逻辑的概念。a)光伏与光电导光电检测模式切换示意图。b)单个器件内选择的XOR与AND逻辑门的输入和输出。c) XOR和AND逻辑门的等效电路，插图中为真值表。    

图2。光电检测模式可切换机制。a)暗条件下的磁滞曲线。b)不同栅极脉冲电压后的输出Ids-Vds曲线。c)整流比和理想系数n与Vp的关系。d) P_up, e) fresh, f) P_down状态下的光电流谱。在g) P_up, h) fresh和i) P_down状态下，器件中耗尽区位置的能带图和相应变化。

图3。光电检测在光伏（PV）模式和光电导（PC）模式之间的非易失性切换。a) PV模式的I-V照明特性曲线。b)不同偏压和光功率下PV模式的I_light/I_dark比值谱图。c)不同光功率密度下PV模式的R和D*。d)不同功率密度下PC模式的I-V照明特性曲线。e)不同偏压和光功率下PC模式的I_light/I_dark比值谱图。f)不同光功率下PC模式的R和D*。PC模式与PV模式g)噪声电流谱密度，h) Iph与光功率密度的关系，f)响应时间的比较。

图4。单个FeS-PD实现复杂的逻辑功能。在a)正极化和b)负极化的白光条件下产生的电功率。c) PV和PC模式的Ids-Vds曲线。d) Vds = 0 v时栅极和光输入的AND逻辑e) Vds = 0 v时PV模式和PC模式的I-t曲线。f)具有输入偏置和门电压脉冲的XOR逻辑，用于一个照明设备。g) Vds = Voc（0.54 V）偏置电压下PV和PC模式的I-t曲线。

结论    

本文提出了一种基于二维WSe2/𝛼-In2Se3异质结的单栅极铁电可切换光电二极管，具有光伏模式和光电导模式之间的可切换光电检测功能，可以明显地实现逻辑的偏置输入。两种光探测方式均具有高探测率和快速响应速度。此外，单个器件可以实现AND和XOR逻辑门的复杂功能。与传统的12个CMOS器件的异或逻辑电路相比，晶体管数量节省了91.6%。它为设备集成化、小型化和图像边缘识别提供了可能。

文献信息

Ferroelectric-Switchable Single Photodetector Implementing Complex Optoelectronic Logics

(Adv. Funct. Mater. 2024, 2418248. DOI:10.1002/adfm.202418248)

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418248

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