客户成果丨华南师范大学《Nanoscale Horizons》：用于高性能逻辑逆变器的二维GeSxSe1-xSnS2范德华异质结构实现成分可调的反双极性行为

在当前科学领域中，逻辑逆变器作为现代大规模集成电路的核心功能单元，其性能直接决定了整个电路系统的运算速度、功耗水平及集成密度。传统硅基CMOS技术因受限于短沟道效应和物理尺寸极限，已难以满足人工智能、物联网等新兴领域对超低功耗、高增益逻辑器件的迫切需求。在此背景下，基于二维范德华异质结的反双极晶体管（AAT）凭借其原子级锐利的界面特性、可重构的能带工程以及无悬挂键的界面优势，为突破传统技术瓶颈提供了革命性解决方案。这种新型器件架构展现出独特的反双极传输特性，为构建高性能逻辑逆变器开辟了全新路径。

为解决上述技术难题，华南师范大学电子科学与工程学院(微电子学院)高伟副研究员课题组联合未来科技研究院郑涛特聘副研究员取得最新的研究进展，该研究成果以“Composition-modulated anti-ambipolar behavior enabled by two-dimensional GeSxSe1-x/SnS2 van der Waals heterostructures for high-performance logic inverters”为题，发表于期刊《Nanoscale Horizons》。该研究系统展示了GeSxSe1-x/SnS2（0≤ x ≤ 0.73）范德华异质结的组分可调能带对准机制，随硫含量增加，能带从Type-II连续过渡至Type-III，精准压缩隧穿窗口并放大表面电势差；引入h-BN/Au单底栅结构后，器件峰谷比、驱动电压均显著优于传统SiO2/Si基底。基于该架构构建的逻辑反相器实现高电压增益以及低静态功耗。该工作为二维合金工程与能带设计协同优化提供了范例，向低功耗、高增益多值逻辑电路的规模化集成迈出关键一步。

研究团队创新性地生长出成分可精准调控的2D自支撑 GeSxSe1-x（0 ≤ x≤ 0.73），并据此构筑GeSxSe1-x/SnS2 vdWH AAT，以实现最优逻辑反相器性能。借助GeSxSe1-x 的元素调制，该 vdWH 的能带对准可从 II 型连续调至 III 型，在不同偏置条件下呈现独特的隧穿过程。实验表明，低硫含量器件在x=0.29时展现出6.6×10³的优异峰谷比（PVR），而x=0时器件的峰值电流最高可达1.4×10-7 A。基于GeSxSe1-x/SnS2器件构建的反相器在x=0.29时实现最高电压增益8.83，而高硫含量的AAT器件则凭借能带工程优化与h-BN/Au底栅结构下的低驱动电压，将静态功耗降至12.1 pW。本研究为合金工程在高性能多值逻辑反相器构建中的拓展应用提供了重要见解。

图1. GeSxSe1-x纳米片的表征及GeSxSe1-x/SnS2 vdWH的能带对准 (a) GeSxSe1-x纳米片生长过程示意图。 (b) 不同硫组分GeSxSe1-x纳米片的XRD衍射谱。 (c) 对应组分的归一化拉曼光谱。具有不同 S 成分的 GeSxSe1-x/ SnS2 vdWH 的 (d) 理论能带排列、(e) 不同硫含量下的隧穿窗口、(f) 表面电势差（SPD）随组分的变化 和 (g) 高度剖面数据。

展示了通过LPRPVD法生长的GeSxSe1₋x纳米片的结构、成分和光学特性，包括XRD、拉曼光谱等。随硫含量 x 从 0 增至 0.73，GeSxSe1-x (040) 衍射峰由33.71°连续右移至34.31°，拉曼峰A1g消失、A2g红移，并通过理论计算与KPFM测试，系统分析了不同硫含量下GeSxSe1₋x/SnS2异质结的能带对准变化，隧穿窗口自 633.9 meV（x=0）减小至 195.3 meV（x=0.42），并在 x=0.73 时完全关闭，实现 Type-II→III 的可逆转变。

图2. 两种不同底栅结构下GeSe/SnS2 AAT的场效应电学性能。(a)采用h-BN/Au底栅结构的GeSe/SnS2器件三维示意图。(b) 对应器件的光学显微镜图像。(c) h-BN/Au底栅条件下，GeSe与SnS2 FET在Vds = 1 V时的Ids–Vg转移特性曲线。(d) 对比两种底栅结构vdWH在Vds = 1 V时的Ids–Vg曲线。(e) 两种结构对应的峰谷比（PVR）与峰值电流（Ipeak）统计。(f) 两种结构的驱动电压窗口（ΔVg）及峰值电压（Vpeak）比较。

对比了h-BN/Au与SiO2/Si两种底栅结构对GeSe/SnS2反双极晶体管性能的影响，结果显示将 GeSe/SnS2 AAT 的 PVR 从 SiO2/Si 结构的 120 提升至 250，峰值电流翻倍至 27.4 nA，驱动电压窗口 ΔVg 从9.4 V 到13.2 V，验证其更强的电调控能力和更低的功耗潜力。

图3. 基于 GeSxSe1-x/SnS2（0 ≤ x ≤ 0.73）vdWH AAT 的二值逻辑反相器。(a) 二值逻辑反相器结构示意图。(b) 等效电路图。(c) GeS0.29Se0.71/SnS2（x = 0.29）反相器在不同 Vdd 下的 Vout–Vin 传输曲线。(d) 对应的增益–Vin 曲线。(e) Vdd = 3 V 时，不同硫组分反相器的静态功耗 Pstatic。(f) 与文献报道反相器的 Pstatic 对比；蓝色高亮区域为静态功耗达到 pW 量级的器件。

展示了基于AAT构建的逻辑反相器的结构与等效电路，测量了不同Vdd下的Vout–Vin与增益曲线，x = 0.29时获得最高电压增益（8.83）；同时分析了不同硫含量下的静态功耗，x = 0.73时功耗最低（12.1 pW），并与文献中其他反相器进行了对比，突出其在低功耗方面的优势。

作者信息介绍：华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）硕士龙彦宏与博士邓群睿为共同第一作者，高伟副研究员与郑涛特聘副研究员（未来科技研究院）为通讯作者。

该工作中通过使用TuoTuo Technology（UV Litho-ACA）的无掩模紫外光刻机完成了对器件整个光刻步骤的工作。该研究得到了广州市科技计划项目、中国国家自然科学基金、广东省科技计划项目和广东省基础与应用基础研究基金的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1039/d5nh00508f