光电光谱论文分享 | 基于h-BN/MoTe2/BP异质结构的W形反双极性晶体管

文章导读

本研究提出并实现了一种基于h-BN/MoTe₂/BP范德华异质结构的高性能W型反双极晶体管（AAT），具备四态电导特性、对称Λ型传输区、以及高开关比（>10⁵）。器件在零栅压附近呈现对称传输特性，支持三值逻辑、无偏压倍频与光电流极性可逆调控等功能。通过构建三值反相器，实现了均匀20 V逻辑窗口和200次循环稳定性；在光电器件方面，展现出0.29 A/W响应率、69.4%外量子效率、100 μs响应时间和6个数量级的整流比可调范围。该器件集成了逻辑、模拟与光电功能，展示了在多功能、低功耗、高集成度纳米电子系统中的巨大潜力。

研究背景

随着传统CMOS技术逐渐逼近其微缩化与能效极限，开发能够支持更高集成密度、更低功耗以及更复杂功能集成的器件架构，已成为下一代电子技术的迫切需求。在各种新兴器件概念中，反双极晶体管作为一种具有非单调转移特性并展现出显著Λ形区域的场效应晶体管，因其在多值逻辑运算、信号处理以及光电子应用等方面的潜力而受到越来越多的关注。与需要复杂CMOS电路的传统倍频器不同，单个AAT器件凭借其固有特性即可实现频率倍增，从而显著简化电路设计。此外，基于AAT构建的三值反相器，能够将系统复杂度降低63.1%，提升信息密度，并精简互连结构。同一器件结构可同时实现多值逻辑、频率倍增与光电探测功能，这凸显了功能复用架构的巨大潜力——这正成为未来半导体技术的一个重要发展趋势。

研究内容

图1中异质结的拉曼光谱可通过我司 “ MStarter 100 显微光谱扫描测试系统 ” 测试表征。

MStarter 100 显微光谱扫描测试系统

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图1a说明了基于由h-BN、MoTe₂和BP组成的横向异质结的AAT器件的工作原理，其中h-BN起到平坦衬底的作用以提高器件性能。图1b显示了制造的器件的光学显微镜图像，其中MoTe₂和BP分别用蓝色和绿色虚线勾勒出来。黄色电极表明BP和MoTe₂分别作为漏极(D1，D2)和源极(S1，S2)，形成横向的P-N结。图1c显示了该器件的拉曼光谱。MoTe₂的特征峰出现在170 cm^-1 (A_1g)，229 cm^-1 (E_2g¹)和286 cm^-1 (B_2g¹)，证实材料为六方2H相。BP在359 cm^-1 (A_1g)、439 cm^-1 (B_2g)和467 cm^-1 (A_g²)处显示出明显的拉曼模式。这些峰在MoTe₂/BP异质结区明显观察到，没有任何明显的位移，表明结晶度好，应变小，界面没有相变。图1d说明了MoTe₂和BP的能带排列，电子亲和能分别为3.9和4.1 eV，带隙为0.9和0.3 eV。

图2、图3和图4中对于异质结的变栅压输出曲线、变漏压转移曲线，图5中对于异质结的变光强开关比、响应速度以及单点探测成像测试均可通过我司 “ E2 光纤耦合光电测试探针台 ” 测试表征。

E2 光纤耦合光电测试探针台

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图2a展示了在不同漏源电压（V_ds）范围内（从0.5 V到2 V），栅源电压（V_gs）从-60 V扫至60 V时，单个MoTe₂（S1作为源极，S2作为漏极）和BP（D1作为源极，D2作为漏极）场效应晶体管（FET）的转移特性。MoTe₂和BP FET分别表现出主要的n型和p型双极输运行为。对于MoTe₂和BP，电导极小点分别位于-28 V和29 V。对于MoTe₂和BP，相应的开/关比达到∼10⁵(从10^-10到10^-5)和∼10⁴(从10^-8到10^-4)。图2b显示了MoTe₂/BP异质结器件(以S1为源极，D2为漏极)在正向偏置(V_ds＞0)下的传输特性，表现出典型的反双极行为。该曲线呈W型，由一个明显的中心Λ形导电峰组成，两侧是两个低电导区。在反向偏置(V_ds＜0)下，传输曲线(图2c)显示I区电流增强，但II区和III区的导通受到抑制，显著削弱了反双极行为。相反，该器件表现出更传统的两极反应。这种现象可以归因于异质结内建电场方向的反转。图2d显示了作为V_ds的函数的I_Peak、I_Left、I_Right和PVCR的演变。正向偏置拉低了BP能带，降低了能垒，增强了峰值电流，从而改善了PVCR。在V_ds=2 V时，PVCR_Left和PVCR_Right分别达到10⁵和10²，优于之前报道的大多数AAT(图2e)。图2f比较了以前报道的AAT中的截止电压，引入了对称性偏差(SD)系数。SD越小，表明Λ区域对称性越大。该器件SD为0.055，超过了之前的大多数研究。

通过对比AAT与N-FET的传输特性（图3a），可以发现当栅极电压变化时，AAT的电导会呈现出三种截然不同的状态：低于、与之相当或高于N-FET的电导。利用这一特性关系，提出了一种由AAT和N-FET组成的三值反相器架构，该架构能够可靠地实现稳定的三电平逻辑输出。图3b展示了该器件的结构及工作原理：AAT的一个端子连接至电源电压（V_DD），另一个端子则与N-FET相连，二者共同构成一个共享输出节点（V_OUT）。图3c显示了三端反相器的电压传输特性。在V_IN介于−20至0 V的范围内，AAT和MoTe₂的电导率相当，因此它们两端的电压分配几乎相等，输出电压V_OUT ≈ V_DD/2，这对应于图3c中的状态2（中间电平）。图3d对比了首个循环与最后一个循环的电压传输曲线，插图突出了两者的差异，以估算误差范围。所有输出电平的波动均保持在10%以内，未出现明显的电平偏移或性能退化，这证实了在多次状态转换过程中具有出色的运行稳定性。图3e说明了基于AAT的倍频器的工作原理。图3f展示了V_DD = 2 V条件下的实验结果。当输入为峰峰值电压为10 V、频率为100 Hz的正弦信号时，输出信号的频率翻倍至200 Hz，这证实了该器件无需外部偏置即可实现低功耗倍频，同时也凸显了基于AAT的器件在节能型模拟信号处理应用中的潜力。

具体而言，当V_gs处于-60至-30 V的范围内时（图4a），反向电流（IR）高于正向电流（IF），表明整流效果显著。在-20至10 V之间（图4b），IF迅速增大并超过IR，从而导致整流方向发生反转。随着V_gs进一步增大至20至60 V的范围（图4c），IF与IR逐渐趋于接近，整流效果明显减弱。当V_gs从-60 V增加到20 V时，整流比经历了极性反转(图4d)。值得注意的是，在-35至-15 V的狭窄V_gs窗口内，这一比率发生了6个数量级的巨大变化(从10^-3到10³)，显示出出色的栅极可调整流性能。图4e和f显示了MoTe₂和BP的载流子密度和费米能级作为V_gs的函数。在电导极小点附近，即使V_gs的微小变化也会显著地移动材料的费米能级，导致它们快速穿过带隙并接近导带极小值。结合图4g-i所示的能带示意图，很明显，当V_gs范围从-60到-30 V时，MoTe₂和BP的费米能级都位于它们各自的价带最大值附近，表明这两种材料都是p型导电的。

图5a和图5b分别显示了在V_gs = 0和-40 V时，在520 nm激光照射下，不同入射功率下器件的光电流响应。在V_gs = 0 V时，异质结形成P−N结，内建电场从MoTe₂指向BP。光生电子和空穴分别向MoTe₂和BP漂移，导致负光电流(图5a)。相反，在V_gs = -40 V时，结构转变为P⁺-P⁻结，内建电场从BP指向MoTe₂。在这种情况下，电子和空穴分别向BP和MoTe₂漂移，产生正光电流(图5b)。图5c说明了光电成像系统的原理图。该装置用520 nm激光照射，入射功率为6.72 mW/cm²，并在激光光源和装置之间移动掩模以产生81×246像素的图像，如图5d所示。分别在V_gs = 0和-40 V下获得图像的左侧和右侧。可以清楚地观察到‘天津大学’四个明显的特征，表明在相同的V_gs下，光电流响应具有良好的一致性。图5e示出了从图5d的第76行到第81行提取的暗电流值，其值始终低于0.5 pA，对应于高达10³的信噪比。器件的时间分辨光响应如图5f所示，响应和恢复时间分别约为100和130 μs。

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