近日，我院先进半导体器件与光电集成实验室的罗林保教授与安徽大学材料科学与工程学院何刚教授合作，成功研发出一种具有宽光谱响应的双模式光电子器件，实现了单像素成像和类脑计算的双模式切换。相关成果以“Dual-Mode Semiconductor Device Enabling Optoelectronic Detection and Neuromorphic Processing with Extended Spectral responsivity”为题，于2024年9月24日在线发表在国际顶级期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202409406)。
光电探测器在成像过程中一般对光脉冲的响应速度较快，但无法持续保留所获取的图像信息或处理复杂的时序数据。相较之下，神经态光电探测器的响应速度较慢，这使其难以即时响应高频信号。 因此，将两种不同响应速度的器件集成于一个半导体器件中，面临着巨大挑战。该研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并制备了一种高性能PbS/Al2O3/Si混合异质结器件，成功实现了光电探测与类脑处理的双功能模式转换。
在模式1中，器件异质结有效分离光生电子-空穴对，展现出从深紫外(265 nm)到近红外(1650 nm)波长的超宽光谱响应；同时利用单像素成像系统能够复现256×256像素的高质量图像，在光强为8.58 μW/cm²时，Q值低至0.00437 μW/cm²。而在模式2中，器件具备典型的PPC行为，能够作为类脑器件进行标准数字分类，准确率高达96.5%。这一特性充分体现了其在时序信息处理中的有效性，特别是在获取时序性数据方面。该研究为双模式光电器件的构建与发展提供了重要的实验依据，将有力推动多功能器件在智能芯片应用中的多模式和集成化快速发展。
图1. （a）基于输出光电流脉冲（0PP）波形对光电探测器的功能进行分类；（b）在暗态下两种模式的 I–V 曲线；（c）不同模式下，器件在有光和无光条件下能带图的仿真结果；（d）在 7.79% 采样率下，利用单像素成像系统获得复现图；（e）用于标准数字识别的光电储备池计算示意图；（f）不同波长下标准数字识别的准确率。
该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省高校协同创新项目等项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202409406
付灿 文/图 审核 刘梅
