客户成果丨华南师范大学《Materials & Design》具有栅极可调二维PtTe2-WSe2异质结的极性可切换逻辑与传感器内计算

华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）高伟团队在二维可重构器件领域中取得最新进展，该研究成果以“Polarity-Switchable Logic and In-Sensor Computing with Gate-Tunable Two-dimensional PtTe2/WSe2 Heterojunctions”为题发表在《Materials & Design》上。

面向下一代智能视觉系统对传感与计算一体化的迫切需求，本研究构建了基于二维范德华PtTe2/WSe2异质结的光电晶体管。该器件通过栅压精准调控界面电场，呈现出导电极性可自由切换、超高整流比（>107）及高效的双向光伏响应等多功能特性。研究的核心创新在于, 其独特的半金属底部接触结构设计带来了均匀且原位可重构的光电流分布，为阵列集成与权重计算奠定了基础。作为肖特基势垒二极管，该二维异质结在背栅-源偏压调控和光照下实现XNOR, NAND, AND, OR多种光电逻辑门操作，展现通用的可编程能力。更进一步，通过利用光响应度与栅压的线性关系来模拟调节卷积神经网络的权重，在内传感计算层面实现了图像分类任务（MNIST），准确率高达97%，并演示了图像锐化与噪声滤波等图像处理功能。这项工作为实现智能感知与计算的高效融合开辟了一条崭新的技术路径。

在635 nm光照下，PtTe2/WSe2肖特基势垒二极管（SBDs）表现出栅压可调的光伏响应。随着栅压(Vg)从-60 V扫描至60 V，其短路电流（Isc）和开路电压的极性发生反转。由于光生载流子浓度的提高，这一可逆行为随着光功率密度的增大而增强。在最低光功率密度（0.04 mW/cm2）下, 器件在±60 V的Vg时分别观测到5 pA和-8 pA的极小短路电流。通过扫描光电流显微成像与能带结构分析，揭示了光生载流子的空间分布特性：

在零栅压下，正光电流主要分布在PtTe2/WSe2重叠区边缘，而负光电流则局限于Cr/WSe2界面边缘，这源于两个肖特基结耗尽区宽度相近的竞争机制。

当Vg增至±60 V时, 双向光电流被有效限制在PtTe2/WSe2界面边缘区域，Cr/ WSe2结的贡献可忽略不计。这表明通过SiO2介电层调控的内建电场能够精确控制光生载流子的空间分布。这种均匀分布在相同区域的双向光电流特性，显著减轻了传统三维金属/TMDCs结的影响，证实了器件的原位可重构能力。

随着Vg从0 V增加到±60 V，由于WSe2边缘能带更弯曲，有效提高了光生电荷的分离效率，器件的双向响应也显著增强。这一现象与顶部/悬浮WSe2的费米能级钉扎效应密切相关，导致WSe2边缘/沟道的费米能级发生可调控的移动。

图1. PtTe2/WSe2 SBDs的栅压可调的光伏特性。(a) 在635 nm光照下，栅压Vg从-60 V变化至60 V时的输出特性曲线。(b) 在不同光功率密度下，提取的Ids随Vg变化的函数关系。插图为弱光照条件。(c) 光电流随光功率密度在对数坐标下的变化关系。(d) 不同栅压调制下的Ids-时间曲线。(e)-(g) 分别对应Vg为0 V、-60 V和60 V时，在638 nm波长下，扫描光电流显微(SPCM)图像及对应的能带示意图。

在635 nm光照下通过协同调控Vg和漏源电压（Vds）在同一器件上动态实现了四种基本布尔逻辑运算，采用了两种创新的逻辑编码方案：第一种将低电流区域（-10-10 A）定义为"0"，超过阈值的正负电流均视为"1"，实现了NAND/XNOR功能；第二种则直接以电流极性定义逻辑状态，正电流为"1"、负电流为"0"，实现了AND/OR运算。这种可重构逻辑架构展现出显著优势：较传统CMOS设计，场效应晶体管数量减少75%-83%，且当前基于300 nm SiO2介电层的±60 V工作电压，可通过采用高κ介质或减薄氧化层厚度，可进一步降至1 V以下实用级别。

图2.具有双向光伏特性的SBDs通用光电逻辑门。(a) (d) 光电流随Vg和Vds变化的函数关系。(b) (c) (e) (f) 四种不同的逻辑运算操作NAND、XNOR、AND和OR，展示了器件的多功能特性。

利用器件表现出的双向光电响应特性和在405/635/808 nm波长下的光电流-光功率线性关系，确保了响应度的稳定性，模拟了内传感计算应用。在图像分类任务中，卷积神经网络通过栅压-响应度的线性关系实现了3×3光电卷积核的线性权重适配，其中线性区的明确响应度值的归一化为硬件-算法协同优化提供了可能。最终，在20个训练周期内实现了97%的稳定验证准确率，且验证损失单调下降至约15%。在图像处理方面，基于固定栅压-响应度关系的卷积核设计，实现了锐化、均值滤波和高斯滤波等功能，充分发挥了器件固有的光谱响应特性，为多光谱图像处理提供了新解决方案。

图3. 基于PtTe2/WSe2 SBDs的内传感计算在图像分类与处理中的应用。(a)卷积神经网络架构，通过虚拟图像输入模拟传感过程。输入层是MNIST手写数字数据集，由3×3光电卷积核进行处理，其权重由栅压调节下的器件响应度决定。(b) 在635 nm波长下，20个样本数字的分类概率分布结果。(c)训练过程中的准确率与损失函数变化曲线。(d) 通过栅压-响应度调制在635 nm下实现的图像处理功能。(e) 锐化操作在三个波长下的特征相似性指数（FSIM）指标，以及滤波操作在三个波长下的结构相似性指数（SSIM）指标。

该工作通过使用TuoTuo Technology（UV Litho-ACA）的无掩模光刻机完成了二维可重构光电晶体管的接触铬金电极制备工作。

作者信息介绍：华南师范大学硕士生黄坚明和彭显茗为文章的共同第一作者，中国科学院半导体研究所刘端阳副研究员，华南师范大学陈祖信副研究员，杨孟孟特聘副研究员和高伟副研究员为论文的共同通讯作者。此项研究工作获得国家自然科学基金、广东省自然科学基金的持续支持。目前，相关技术已申请发明专利1项。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115027