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成果介绍
反双极性晶体管在多值逻辑电路、信息加密、光电探测等领域具有重要应用。此前的反双极晶体管主要基于非对称异质结构，这种异质结构的制造具有挑战性且需要精准的能带结构调控。此外，反双极性晶体管用于光电探测，通常会伴随难以抑制的暗电流，导致较弱的灵敏度。
有鉴于此，山东大学
集成电路学院张嘉炜教授、李玉香教授团队
利用金属底电极的屏蔽效应，构建了无异质结构的光触发WSe
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反双极性晶体管，可用于高灵敏度光电探测器和多值逻辑电路。金属的屏蔽效应导致WSe
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沟道的单边栅调控，产生内置电场方向随着栅极变化而转向的内置电场，表现出静电可重构和光触发的反双极性输运行为。该器件实现了极低暗电流（0.69 pA）和对635 nm弱光（0.23 μW/cm
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）的超敏感响应，响应度和探测率分别达到188 A/W和8.94×
1014 Jone。此外，使用单片WSe2构建三元逻辑门器件，大大简化了多值逻辑电路的制造难度。该工作为反双极性晶体管设计提供了新思路。研究成果以“Light-Triggered Anti-ambipolar Transistor Based on an In-Plane Lateral Homojunction”为题发表于国际期刊Nano Letters。集成电路学院博士研究生韩鹤程为论文第一作者，韩国汉阳大学教授金继东，山东大学教授李玉香、张嘉炜为共同通讯作者。
图文导读
图1.
WSe
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反双极性晶体管的器件结构和传输特性。(a) WSe
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反双极性晶体管示意图。(b) WSe
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反双极性晶体管的光学图像。(c)光照(λ为635 nm，功率密度为20.61 μW/cm
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)下WSe
2
反双极性晶体管的I
D
-V
G
曲线。(d)相应的WSe
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反双极性晶体管的g
m
-V
G
曲线。
图2. 面内同质结的形成。(a) WSe
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反双极性晶体管在暗光照射下的I
D
-V
G
曲线。(b)光照下WSe
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反双极性晶体管的I
D
-V
D
曲线。(c) WSe
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反双极性晶体管的部分AFM图像。(d)图c中虚线框选区域的KPFM映射图和功函数直方图。
图3. 光触发反双极性输运机制。(a)SPCM图像的实验设置。(b)用于SPCM测量的WSe
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反双极性晶体管的光学照片。(c)不同栅极电压下WSe
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反双极性晶体管的SPCM图像。(d)光照下WSe
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反双极性晶体管的能带图。红色和蓝色圆圈分别表示光生载流子和栅极诱导载流子。
图4. 非对称电极结构的WSe
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反双极性晶体管自供电光电探测性能。(a)不同功率密度下WSe
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反双极性晶体管的I
D
-V
D
曲线。(b)不同功率密度激光照射下器件的光响应特性随时间的变化。(c)示波器捕捉到的WSe
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反双极性晶体管光响应波形。(d) WSe
2
反双极性晶体管的响应度(黑色)和探测度(红色)随光照强度的变化。
图5. 弱光检测和三元逻辑门。(a)不同功率密度(0.23 ~ 2.88 μW/cm2)下WSe2反双极性晶体管在暗光(λ = 635 nm)照射下的ID-VG曲线。(b)不同功率密度(0.23 ~ 2.88 μW/cm2)光照(λ为635 nm)下WSe2反双极性晶体管随时间变化的光响应特性。(c)功率密度在0.23 ~ 2.88 μW/cm2范围内，WSe2反双极性晶体管的响应度和探测度随功率密度的变化规律。(d)弱光探测器性能指标对比。(e) WSe2三元逆变器原理图。(f)三相逆变器(VDD = 3 V)的电压转移特性。
文献信息
Light-Triggered Anti-ambipolar Transistor Based on an In-Plane Lateral Homojunction (Nano Lett. 2024, 24, 28, 8602–8608)
文献链接
