文章导读
WSe2/Ta2NiSe5范德华异质结可重构场效应晶体管
可重构场效应晶体管（RFETs）在电子和光电子逻辑电路中展现出显著优势，在集成度、灵活性和成本效益方面均超越了传统的互补金属氧化物半导体晶体管。然而，这类晶体管的低开关电流比仍是其实际应用中的一大障碍。为克服这些局限性，研究人员提出了一种由 WSe2/Ta2NiSe5构成的范德瓦尔斯异质结（vdWH）晶体管。通过调节单一背栅电压和源漏电压输入，该晶体管实现了可切换的极性配置和双向整流功能，使其能够作为栅控双向半波整流器工作。所提出的可重构场效应晶体管具有可调的正/负光伏响应、优异的光电子性能，以及栅电压依赖的光电探测器位置反转特性。详细的能带图研究表明，该器件的可重构性源于I型能带结构导致的载流子阻挡效应，以及栅电压调控的肖特基势垒所调制的载流子注入。因此，这种可重构的WSe2/Ta2NiSe5范德瓦尔斯异质结在先进多功能光电子器件应用中具有巨大潜力。
研究背景
1. RFET的优势与瓶颈
可重构场效应晶体管（RFET）在集成度、灵活性和成本效率上优于传统互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管，可通过动态切换N型/P型模式简化电路设计、减少器件数量。但现有RFET存在低开关电流比（影响大规模集成与低静态功耗）、控制复杂（需多栅极或铁电极化调控）、沟道双极性导致关态电流难抑制等问题，限制了其应用。
2. 2D材料的潜力与突破方向
二维（2D）半导体材料（如WSe）因原子层厚度、优异栅极控制能力，成为RFET沟道的理想候选，但需解决界面漏电流、载流子注入调控等问题。研究提出采用窄带隙2D材料（Ta2NiSe5）与2D半导体构建异质结，通过I型能带结构实现载流子阻挡，同时保留高导通电流。
研究内容
图1. 利用I型能带结构实现可重构场效应晶体管（FET）的设计方案（A）具有对称源极-漏极接触的双极晶体管示意图。（B、C）双极输运行为示意图及对应能带结构表明，p 型导通状态下的电流源于势垒降低与变薄所产生的隧穿电流。（D）由双极材料与窄带隙材料构成的范德瓦尔斯异质结（vdWH）示意图。（E、F）可重构转移特性曲线示意图及对应能带结构。n型导通状态下的电流归因于（施加负源漏电压时，即−Vds）势垒降低与变薄产生的隧穿电流；而在关断状态下，n 型电流的抑制主要源于势垒升高，以及I型能带对齐所导致的载流子传输受阻。
摩尔定律的持续演进推动采用互补金属氧化物半导体技术的场效应晶体管向微型化发展并逼近物理极限，此时在单元数量不变的情况下实现更丰富功能对微型化低功耗电路开发至关重要。可重构场效应晶体管（RFET）因能在工作中调节极性、实现 N 型与 P 型模式动态切换，可简化电路设计、减少逻辑功能所需晶体管数量，成为突破挑战的潜在方向，不过传统晶体管因静态掺杂有固定极性，而 RFET 借助源漏区可调肖特基势垒实现极性可逆变化，还能降低器件高封装密度需求、缓解传统电子制造的复杂性与能耗问题。要实现高性能 RFET 需满足高电子迁移率等要求，二维半导体材料凭借原子层厚度、优异栅控能力及表面无悬挂键特性，成为未来 RFET 沟道材料的潜在候选，例如基于二维 WSe2的可重构铁电 FET 可实现特定逻辑功能，黑磷通过静电栅控能在不同 FET 模式间切换，二维 RFET 在复杂电路设计与光电子应用中前景广阔。但二维 RFET 实现极性控制常需多栅极或铁电极化，增加系统设计复杂性与制造要求，且沟道双极性导致其难关断、开关电流比低，阻碍大规模集成与低静态功耗应用，现有抑制关态电流的策略也存在导通电流降低或调控复杂等问题，相比之下，在金属与半导体间引入二维窄带隙材料的方案更优，能改善界面质量、抑制漏电流并保留较高导通电流。基于此，本研究提出基于 WSe2/Ta2NiSe5可重构 I 型范德华异质结的策略，对该异质结构施加单一背栅电压，结合偏压调节即可调制载流子类型，实现具有优异开关比的 p 型与 n 型晶体管，且控栅压能使器件正反向整流比超 105，可作为双向可调半波整流器，同时该异质结还展现出优异的正负光伏特性，作为栅压可调光电探测器性能突出，充分凸显了可重构范德华异质结构在先进光电子器件与集成电路设计中的潜力。
图 2. 器件的电学性能（A）WSe2/Ta2NiSe5异质结的示意图（B）器件的光学显微镜（OM）图像（C）WSe2/Ta2NiSe5异质结的原子力显微镜（AFM）图像（沿红色和蓝色线条的高度剖面分别对应 WSe2和 Ta2NiSe5的厚度）（D）WSe2、Ta2NiSe5及 WSe2/Ta2NiSe5的拉曼光谱（E）WSe2及WSe2/Ta2NiSe5的光致发光（PL）光谱（F、G）开尔文探针力显微镜（KPFM）表面电势拓扑图，以及沿蓝色箭头方向分层 WSe2与 Ta2NiSe5之间的表面电势差（SPD）（H）在栅极电压（Vg）=±50 V 时，WSe2/Ta2NiSe5场效应晶体管（FET）在对数尺度下的输出特性（I）在漏源电压（Vds）= ±3 V 时，WSe2/Ta2NiSe5场效应晶体管（FET）在对数尺度下的转移特性
文章中对于异质结的变栅压转移和输出特性曲线，开关比曲线，扫描光电流显微镜mapping（SPCM），均通过我司 “ MStarter 200 高精度光电流扫描测试显微镜 ” 测试表征。
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图 3. WSe2/Ta2NiSe5异质结的栅极调控可重构电学性能（A）异质结器件在不同栅极电压下的输出特性（B）器件的栅极调控整流比（RR）（C）异质结器件在不同栅极电压下的转移特性（D）漏源电压（Vds）调控的载流子迁移率及漏源电流（Ids）开关比（E）可逆半波整流器的电路示意图（F）输入振幅为 2 V 时，不同栅极电压（Vg 从−60 V 至 60 V）下的半波整流结果
图 4. WSe2/Ta2NiSe5异质结可重构器件的能带偏移与能带排列分析（用于揭示器件工作机制）接触前与接触后的能带排列（B- G）不同栅极电压和漏源电压下异质结的能带图
该研究针对双极性 FET 关态电流（Ioff）高的问题，设计 I 型能带结构，通过栅极电压（Vg）与偏置电压（Vds）调控，实现器件在 N 型 / P 型开态（肖特基势垒降低促载流子注入）与关态（势垒升高 + 能带束缚抑 Ioff）间切换，同时保持开态电流（Ion）稳定，提升开 / 关比。基于此，研究用双极性 WSe2（5nm）与窄带隙 Ta2NiSe5（9nm）构建垂直范德华异质结（源极接 Ta2NiSe5、漏极接 WSe2），并通过表征验证质量：拉曼光谱显示异质结含两材料特征峰且峰强降，证电荷转移；PL 光谱呈猝灭效应，显内建电场促载流子分离；KPFM 测表面电势差 200mV，确证电子从 Ta2NiSe5向 WSe2转移。电学测试中，单组分器件为基准（WSe2双极性、Ta2NiSe5强 N 型），而异质结器件可重构性突出：Vds 极性定器件极性（正 Vds 呈 P 型、负 Vds 呈 N 型），Vg（-50 至 50V）可调整流比（正向 2.2×105、反向 7.5×106，优于多数异质结），Vds=±3V时开 / 关比达 4×106/4×104，Ioff压至pA级。此外，P型模式空穴迁移率最高 192 cm2V-1s-1，器件开关稳定，且半波整流电路中可通过 Vg 切换整流方向，实现 AC-DC 转换，具电力电子应用潜力。
图 5. WSe2/Ta2NiSe5异质结光电晶体管的栅极调控可逆光伏特性（A）532 nm 光照射条件下，器件的栅极主导输出特性（B）漏源电压（Vds）= 0 V 时，栅极对短路电流（Isc）和开路电压（Voc）的调制作用（C）不同栅极电压下，输出电功率随偏置电压的变化曲线（D）栅极电压（Vg）> 0 V 和 Vg < 0 V 时的填充因子（FF）（E）栅极电压分别为 30 V 和−30 V 时，光电晶体管的光响应 “开” 态与 “关” 态特性（F）532 nm 光照射下、漏源电压（Vds）= 0 V 时，光电晶体管在脉冲栅极电压下的时间分辨光响应曲线（栅极电压以 2 秒为周期，周期性切换至 30 V 和−30 V）
在工作机制上，WSe2与 Ta2NiSe5形成 I 型能带结构，接触后电子从 Ta2NiSe5向 WSe2迁移，形成内建电场，且 WSe2与 Au 电极间存肖特基势垒。Ta2NiSe5不受栅压（Vg）影响、WSe₂具双极性可调性，共同决定能带排列变化：Vg≥-10V 时，器件可呈反向二极管（负偏压）或关态（正偏压）；Vg<-10V 时，呈正向二极管（正偏压）或低关态电流（负偏压）。DFT 验证外电场下异质结仍保 I 型结构，且器件开态电流由肖特基势垒宽度决定。
光伏特性方面，532nm 激光下，Vg可调控器件正负光伏效应：Vg 增大时，开路电压（VOC）从 0.42V 降至 - 0.36V，短路电流（ISC）反向变化，最大 ISC 达 5.0×10-10A；自供能状态响应度（R）-16.6~14.6mA/W，探测率（D*）-9.6×109~8×109Jones。器件 1400s 内性能稳定，响应上升 / 下降时间 4.8/4ms，且 Vg 可实现光伏特性可逆切换，为光电子逻辑开关奠定基础。
光探测性能上，Vg=0V、532nm 激光下，光电流随功率递增，理想因子 θ 接近 1（界面缺陷少）。Vds=+3V 时，R 最大 12.5mA/W、D最大 5.1×109Jones；Vds=-3V 时性能更优（R≈35mA/W、D≈1.4×1010Jones）。器件 500 次循环后光电流稳定，响应上升 / 下降时间 1.7/2ms，适合高性能光探测应用。在栅压调控光电传输特性方面，Vds=±3V 时，栅压可精准控制光探测器响应：Vds=+3V（P 型特性）下，受光后器件呈反极性行为，Vg＜-31V 时光电流随 Vg 降低显著增大，Vg＞-31V 时基本稳定，且 Vth 向正栅压偏移；Vds=-3V（N 型特性）下，受光后全 Vg 范围（-50~50V）均呈反极性行为，电流增大且 Vth 变化趋势与 + 3V 时相反，这种反极性特性适用于功能光电子与纳米电子领域。进一步分析光电参数发现，Vg=-50V 且Vds>0V 时，Iph、R 最大值分别为 3.4×10-8A、0.99A/W，PDCR 从 1.2 升至 1.1×104，D最大 2.8×1011Jones；Vg=50V 且 Vds<0V 时，Iph、R 最大值为 6.5×10-8A、16.5A/W，D最高 3.1×1011Jones，PDCR 在 2~8.8×103 间变化，证明器件有优异栅压可调光电性能。
在光电流可逆位置方面，通过 SPCM 技术观察到，Vds=0V 时 WSe₂/Ta₂NiSe₅重叠区存在栅压调控的正负光伏效应，机制与异质结内建电场方向变化一致。光电流位置可通过偏压与栅压调控：器件处于（-Vg，+Vds）、（+Vg，-Vds）开态时，光电流集中在 Au-WSe₂接触电极，载流子注入以该界面为主，且红外光照射下无电流，印证 I 型能带阻碍光生空穴；处于（+Vg，+Vds）、（-Vg，-Vds）关态时，异质结界面内建电场使光生载流子快速分离，符合光伏效应。这表明栅压可通过能带弯曲实现异质结可重构，且偏压与栅压能控制光电流的位置和方向，凸显器件在光伏与光探测领域的潜力。
图6. 可重构WSe2/Ta2NiSe5异质结构光电晶体管的栅极主导可逆光电特性。(A) 器件在532 nm不同功率密度光照条件下的栅极主导输出特性曲线。(B) WSe2/Ta2NiSe5光电探测器在Vds = 3 V时响应度R与比探测率D*随光功率密度的变化关系。(C) 不同光功率密度下的光开关特性表征。(D) WSe2/Ta2NiSe5范德华异质结在Vds = 3 V时的瞬态光响应曲线。(E,F) 偏置电压为3 V (E) 和−3 V (F)时器件在532 nm光照前后的转移特性曲线对比
图 7. WSe2/Ta2NiSe5可重构光电探测器的扫描光电流显微镜（SPCM）表征在不同偏置电压与栅极电压（Vg，Vds）条件下获得的光电探测器 SPCM 图像：A：（50 V，0 V）、B：（−50 V，0 V）、C：（−50 V，3 V）、D：（50 V，−3 V）、E：（50 V，−3 V）、F：（−50 V，−3 V）
该研究针对 RFET 低开关比等问题，设计 WSe2/Ta2NiSe5 I 型范德华异质结器件。经表征证实界面电荷转移，电学测试显示其可通过栅压 / 偏压切换 P/N 型，整流比、开关比优异，漏电流低，还具栅压可调光伏与整流特性，为先进光电子及集成电路提供方案。
原文链接
Reconfigurable Phototransistors Driven by Gate-Dependent Carrier Modulation in WSe2/Ta2NiSe5 van der Waals Heterojunctions
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13679
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