异质结二次非线性光电探测器，助力超快光学诊断及类脑计算

二维材料与硅（Si）集成已成为开发先进光电探测器的有前景的途径，充分利用二维材料独特的光电特性以及成熟的CMOS兼容硅平台。一方面，二维材料可以通过范德华（vdW）组装转移到硅上，绕过晶格失配限制，形成与硅的范德华界面，实现后端集成以大规模制造混合器件。另一方面，诸多二维材料具有卓越的光电探测能力，包括宽带光学吸收、高载流子迁移率和原子级纯净界面，这些特性可转化为基于二维材料的光电二极管的超宽光谱灵敏度和低暗电流。这些优势激发了研究者对二维/硅光电探测器的强烈兴趣，作为实现高性能、低成本和宽带光电探测的一种手段，超越硅的固有波长限制。

近日，西北工业大学的研究团队展示了一种基于InSe/Si p–n异质结的二次非线性光电探测器（QNPD），利用少层硒化铟（InSe）的强二阶非线性特性，通过二次谐波（SHG）辅助频率上转换，实现了对低于InSe/Si带隙能量的光子的探测，从而将探测范围扩展到1750 nm。在1550 nm脉冲激发下，该QNPD实现了2.3×10⁻³ A/W²的高归一化响应度，并展现出清晰的二次光电流依赖性。利用这种二次响应特性，该器件作为紧凑型光学自相关器，能够以5×10⁻⁵ W²的灵敏度精确表征了2.5 ps和8.5 ps的超短脉冲，比商用系统灵敏度高出一个数量级。此外，QNPD的非线性响应被集成到卷积神经网络（CNN）中，实现了超过98.7%的数字图像分类准确率。该QNPD凭借成熟的二维材料与硅的大规模生长和转移技术，展现出其在集成非线性光子学、超快光学诊断以及类脑计算中的广阔应用前景。这项研究以“Quadratically Nonlinear Photodetector Based on InSe/Si p–n Heterojunction”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

研究人员将少层InSe与Si集成，形成InSe/Si p–n异质结，图1展示了InSe/Si QNPD的示意图。研究人员是利用少层InSe的强二阶非线性特性，通过SHG辅助频率上转换，实现了对低于InSe/Si带隙能量的光子的探测，在该机制下，将探测范围扩展到1750 nm。该InSe/Si QNPD中光功率与光电流之间固有二次依赖性使其具备了线性光电探测器所不具备的功能。

图1 InSe/Si QNPD示意图

研究人员通过机械堆叠将少层InSe纳米片转移到预处理的Si衬底上，制备InSe/Si p–n异质结光电探测器。随后，研究人员对InSe/Si QNPD的电学和非线性光电响应特性进行了表征，相关结果如图2所示。结果显示，这种SHG辅助过程扩展了InSe/Si光电探测器的探测范围，使探测器能够探测低于带隙能量的光子；在该InSe/Si p–n异质结中，光谱响应从传统的带隙限制截止波长约为1000 nm扩展到1750 nm，在1550 nm处实现了2.3×10⁻³ A/W²的归一化响应度；同时，QNPD的固有二次响应特性使其功能超越了线性光电探测器的能力。

图2 InSe/Si QNPD的电学和非线性光电响应特性表征

研究人员基于该InSe/Si QNPD的特性，将其作为紧凑型光学自相关器件，对超短光脉冲进行了表征，相关实验设置及结果如图3所示。结果显示，该器件作为紧凑型光学自相关器能够以5×10⁻⁵ W²的灵敏度，精确表征了2.5 ps和8.5 ps的超短脉冲，比商用系统灵敏度高出一个数量级。这是一种精确、高灵敏且简化的解决方案。

图3 QNPD作为超快脉冲测量紧凑型自相关器的应用

最后，研究人员利用InSe/Si QNPD的二次响应特性，进一步探讨其作为神经形态计算框架中新型非线性激活函数（NLAF）的功能性，相关架构及测试结果如图4所示。结果显示，QNPD的二次响应可作为卷积神经网络中的内置非线性激活函数，可实现超过98.7%的图像分类准确率。

图4 基于InSe/Si p-n QNPD的二次非线性激活函数（NLAF）在卷积神经网络中的集成应用