在国家自然科学基金等项目资助下，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室研究员林生晃团队，联合湘潭大学教授郝国林、中山大学副教授沐浩然等科研人员，提出一种内建电场主导的栅极编程策略，可用于面向传感内计算的低功耗、快速、线性可重构光电器件。相关成果近日发表于《激光与光子学评论》。
陷阱介导光调控与栅电场调制界面的可重构光电响应示意图。研究团队供图
范德华材料及异质结具有强栅极可调性，能在可编程光电探测器中实现多级、极性可切换的光响应态，支持传感器内编码与计算。但现有栅极可编程器件多依赖陷阱介导机制，电荷捕获与释放会造成非线性权重调制和慢瞬态响应，难以兼顾快速光响应与线性调制。
研究团队构建了由栅极调制界面内建电场主导的Te/MoTe2可重构光电探测器。零漏极偏置下，短路光电流可从负连续调至正；栅压Vgs在-44至-14 V范围实现线性双极性响应度调制，决定系数R2=0.99，包含31个实验可区分双极性光响应态。极性切换过程中，器件保持3 μs快速瞬态响应。3×3阵列表现出响应度调制和响应速度的像素间可重复性，可支持卷积核图像处理与事件驱动运动识别。
材料与器件表征显示，Te与MoTe2形成洁净、高质量垂直范德华异质结，厚度约26和54 nm。Te为高迁移率p型半导体（618 cm2 V-1 s-1），MoTe2呈双极性，异质结具明显栅调制能力和约5×102整流比。
在638 nm光照、零漏偏压下，短路光电流随栅压跨过约-27 V发生极性反转，并在-44至-14 V范围实现R2=0.99线性双极性响应度调制，含31个可区分态。3×3阵列统计验证像素间可重复性，正、负光响应时间约5和3 μs，-3 dB带宽约82.1和85 kHz。
作为光电探测器，器件暗电流低至8.63×10-14 A，最大光电流1.02 μA，0和1.5 V偏压下最大响应度分别为33.9和235.2 mA/W；同时具备109 dB线性动态范围、约1.01×106光开关比、5.42×1010 Jones比探测率和6.42×10-14 W Hz-1/2 NEP，长期循环波动约7%。
机理研究结合KPFM与光电流映射发现，Te表面电势较MoTe2高约93.2 mV，接触后形成由n型MoTe2指向p型Te的内建电场，驱动光生载流子分离并产生正短路光电流。施加-60 V栅压后，MoTe2费米能级移动使异质结由p-n转为p-p，界面电场反向，暗态输出与光电流映射共同证实极性反转；变栅压KPFM显示费米能级差由27.2 mV降至11.25 mV，仍足以维持反向内建电场。低频噪声中无明显随机电报噪声，表明正、负光电流态均源于界面内建电场驱动的载流子分离，而非缓慢陷阱充放电。
基于线性可编程权重与快速双极性响应，团队构建3×3卷积核，实验实现边缘检测、浮雕和锐化，结果与软件仿真一致。利用正/负权重矩阵进行视频帧差处理，可抑制静态背景、提取动态像素，在六类人体动作识别中少于3个训练周期即达100%准确率，80%高斯噪声下仍保持80.7%识别精度。
该研究通过在Te/MoTe2范德华异质结中引入栅极调控界面内建电场，突破了传统陷阱介导机制在非线性与慢响应方面的限制，实现R2=0.99线性双极性响应度调制、约3 μs快速极性切换及31个可区分编程态，并在3×3阵列上验证像素级一致的可重构光响应，演示卷积核图像预处理与事件驱动运动识别，为低功耗、快速、线性可重构的传感内计算光电器件提供了界面场工程策略。
相关论文信息：https://www.doi.org/10.1002/lpor.71930
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