导读

近日，中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员团队在范德华异质结黑磷（BP）和硒化铟（InSe）的界面发现了非典型带带隧穿现象，在快速动目标识别任务中展现了巨大的应用潜力。研究发现，在此范德华界面，极小的势垒结构允许了低能量红外光子的隧穿，使得其能在从可见到近红外波长范围内展现非易失性的光电存储现象，光存储速度最快能达到500 ns。基于这种高速光电存储特性，研究团队进一步探讨了其在动目标追踪和识别中的应用可能性。

该研究成果以“Critical band-to-band-tunnelling based optoelectronic memory”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。中国科学院上海技术物理研究所许航瑀为第一作者，通讯作者为中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员和王芳青年研究员。

研究背景

人眼不仅具备空间边缘提取的能力，还能够有效处理时序信息，提取时序图像中的动目标信号。这一能力的实现主要依赖于人脑的存储功能，能够在不同帧之间对特征信息进行高效处理。受此启发，光电存储器（Optoelectronic memory）作为科学研究的前沿热点应运而生。这种光电存储器不仅能感知入射光信号，还能存储图像信息，并为下一次边缘处理操作做好准备。通过感知、存储与计算的集成，这一模式有效减少了冗余信号的传输，有望显著提升计算效率。

尽管已有多种技术应用于光电存储器，并取得了一定成果，但仍存在明显局限。例如，基于photogating效应的器件，由于大量缺陷态的捕获，导致器件响应时间显著延长，并常伴随严重的拖尾现象，从而影响图像清晰度和处理速度。相比之下，基于Fowler-Nordheim效应的浮栅型光电存储器尽管具备更快的响应速度，但其较高的势垒阻碍了低能红外光子的有效传输，限制了其在红外图像处理中的应用。

非典型带带隧穿实现高速、近红外光电存储

在本研究中，采用InSe作为栅极材料，BP作为沟道材料。与BP晶体管相比，该器件展现了更大的存储窗口，并能在光脉冲作用下实现非易失性的光电存储现象，且此现象在其他材料中尚未发现。该现象的主要原因有两个：一是InSe界面处的强载流子阻挡效应，使得除隧穿电流外的电流难以通过界面；二是BP与InSe的能带结构匹配，形成较小的势垒层。该较小的势垒层不仅允许非典型带带隧穿的发生，同时减少了反向电子隧穿并被复合的概率，从而实现了高速、近红外、非易失性的光电存储现象，如图1所示。

图1. 高速光电存储现象及能带分析。

动目标追踪演示

研究团队还测试了该器件的成像能力和动目标追踪能力，并证明了其高速光电存储现象在时序动目标追踪方面的应用潜力。如图2所示，研究团队通过反射式成像光路对动目标“I”字金属图案进行成像，并在高速光脉冲激励下展现了稳定的光存储电流，成像结果清晰且稳定。此外，研究团队还模拟了动目标（小车）的运动场景，并对高速光电存储器与低速光电存储器的成像结果进行了对比分析，采用光流法进行帧间动目标追踪。结果表明，此器件更易于匹配帧间特征点，从而实现精准的动目标追踪，进一步验证了其在时序动目标处理任务中的优势。

图2. 动目标追踪应用展示。

前景展望

本研究中，非典型带带隧穿器件不仅展现了高速、近红外的光电存储现象，还为高速时序动目标追踪与识别任务提出了新的解决方案，展示了巨大的应用潜力。非典型带带隧穿机理的提出为新型光电存储器的设计提供了全新的思路。通过能带匹配实现更高速、更宽谱的光电存储现象，能够有效抑制成像过程中的运动模糊效应，从而进一步提高系统处理效率并减少功耗损失。这一研究不仅丰富了光电存储技术的理论体系，也为实际应用中更精确的动态目标识别提供了可能。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01756-7