【Device|顶刊】突破衍射极限！20纳米光电探测器开启光学传感新时代

引言：当光遇上纳米尺度
在智能手表、自动驾驶、生物传感等领域，光电探测器如同“电子眼睛”，将光信号转化为电信号。然而，传统器件面临一个物理瓶颈——光的衍射极限：光的波长限制了器件的微型化，导致纳米级光电探测器效率骤降。近期，《Device》期刊的一项研究打破僵局，科学家利用二硫化钼（MoS₂）设计出通道仅20纳米的超微缩光电晶体管，不仅突破衍射极限，更将响应速度提升近万倍！

三招破解百年难题

1. 光门控机制：让光“操控”电流
传统光电探测器依赖光生载流子直接导电（光导效应），但纳米尺度下光子捕获效率低。研究团队另辟蹊径，采用光门控机制（Photogating）：

• 光生载流子被捕获在Al₂O₃栅介质的陷阱态中，形成局部电场；

• 电场调控MoS₂通道的电导率，放大光电流信号。

优势：光响应度提升至传统器件的百万倍，且器件尺寸缩小至0.04平方微米！

2. 栅极偏压：一键加速电荷释放
光门控虽灵敏，但陷阱电荷释放慢，导致响应延迟（过去需数十秒）。团队从非易失性存储器汲取灵感：

• 施加负栅压，强制陷阱电荷与空穴快速复合；

• 响应时间从秒级缩短至1毫秒，兼顾速度与灵敏度！

3. 光谱均匀性：一器兼容三色光
硅基探测器对红、绿、蓝光响应不均，需复杂补偿电路。MoS₂器件通过调节栅压强度，动态控制光门效应，实现三色光均匀响应，省去外部电路，简化设计。

材料与工艺的双重革新

1. 材料选择：单层MoS₂的“超能力”

• 1纳米厚度：单层MoS₂兼具强光吸收（蓝光吸收率超90%）与柔性特性；

• Al₂O₃栅介质：界面悬挂键与深陷阱态成为光门控的“开关”，增强信号稳定性。

2. 纳米级加工：电子束光刻的极限挑战

• 通道长度20纳米，接触电极40纳米，总面积比头发丝截面小万倍；

• 多步电子束光刻技术确保精度，攻克微缩工艺难题。

3. 深度关断模式：负栅压的妙用

• 负栅压使陷阱态高于费米能级，优先捕获空穴，避免电子干扰；

• 工作稳定性提升，暗电流降低，能耗仅2飞焦/次。

重新定义行业标杆

• 响应度：蓝光波段达8.84×10⁸ A/W（商用硅器件的百万倍）；

• 检测率：1.65×10¹³ Jones（媲美高端红外探测器）；

• 能耗：单次操作功耗相当于一粒沙子落地能量的千分之一。未来展望：光学与电子的终极融合

研究者计划进一步集成纳米天线与波导结构，提升光捕获效率。这项技术不仅为可穿戴设备、微型机器人提供高性能光学传感方案，更推动光芯片与电子芯片在纳米尺度融合，开启“光电子一体”的新纪元。

原文链接
Ultra-scaled MoS₂ Photodetectors Overcoming the Diffraction Limit