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客户成果丨湖南大学邹旭明教授、廖蕾教授、柳畅副教授Nano Letters：基于晶轴取向氧插层晶体管的偏振传感、存储与逻辑功能集成

成果介绍

以数据为中心的应用的快速发展要求消除传感、存储与计算单元之间的接口，以最大限度地提高系统效率。

近日，湖南大学邹旭明教授、廖蕾教授、柳畅副教授（共同通讯作者）报道了在单一晶体管架构中直接集成偏振分辨光电探测、光电流存储和光电逻辑功能。该晶体管被称为COT（晶体轴对齐氧插值晶体管），采用各向异性PdSe2作为接触电极，各向异性ReS2作为沟道，通过晶体轴对齐堆叠实现最大偏振灵敏度，同时在沟道下方引入纳米尺度氧捕获层以实现持久光电流存储。接触电极与沟道的协同光响应产生了5.2×107 A W−1的超高响应度和7.8×1015 cm Hz1/2 W−1的比探测率。受限氧层实现了6×104秒的超长保留时间和33个存储态。由于高偏振灵敏度，该器件可进一步利用不同偏振矢量实现可重构光电逻辑门，如波长可调的AND和OR逻辑功能。该研究成果以“Integration of Polarization Sensing, Memory, and Logic in a Crystal-Axis-Aligned Oxygen-Intercalated Transistor”为题发表在《Nano Letters》上。

图文导读

图1. COT器件的结构与表征。(a) 器件制备流程示意图。采用各向异性PdSe₂（准金属性，禁带宽度≈0.16 eV）作为源/漏电极，各向异性ReS₂（半导体性，禁带宽度≈1.5 eV）作为沟道。氧分子预吸附于ReS₂表面并在堆叠过程中被限域，形成界面O₂层。PdSe₂−ReS₂沿晶体轴（b轴）对齐堆叠以实现高偏振比；范德华接触确保了器件的高性能；限域O₂层作为电荷捕获层实现存储功能。(b) PdSe₂/ReS₂/O₂结构的横截面原子分辨率图像，可观察到厚度约2.5 nm的O₂插层。(c) PdSe₂−ReS₂接触区放大图像，呈现洁净的范德华界面。元素分布图证实了其组成与分布。(d) COT器件的光学图像。由于本征各向异性解理特性，PdSe₂和ReS₂均呈现条状形貌，且其堆叠沿b轴精确排列。(e) COT器件在不同工作模式（传感、存储、逻辑）下的示意性能带图。

图2. 光响应与存储性能。(a) 暗态及不同功率激光照射下COT器件的转移特性曲线（Ids−Vgs）。(b) 响应度R随栅压Vgs和入射光功率Plight的变化关系，最大值达5×10⁷ A/W。(c) 下图左轴：不同栅压下测得的噪声电流；上图右轴：计算得到的比探测率D*，最高达7.8 × 10¹⁵ cm Hz1/2W−1。(d) 线偏振光写入（LP-writing）和圆偏振光擦除（GP-erasing）操作下的Ids−Vgs特性曲线。(e) 光电流的长期保持特性，测试期间包含完全断电间隔。插图为外推的保持时间，表明10年后仍有约60%的光电流留存。(f) 线偏振光写入与圆偏振光擦除的可重复循环操作。(g) 多级存储特性。此处共获得33个分立的存储态，读出电流均匀递增。插图为线性动态响应（斜率7.78 nC/态），证实了高度线性的多级存储行为。(h) 长期稳定性，在环境存储18个月后性能保持稳定。

图3. 晶体轴对齐与偏振分辨光响应。上图：PdSe₂ (a)、ReS₂ (b)及其对齐异质结构(c)的原子结构及相应晶轴示意图。下图：PdSe₂、ReS₂及其对齐异质结构的角度依赖拉曼光谱图。各单层中观测到的拉曼增强峰在PdSe₂/ReS₂结构中同样出现，证实了晶体轴对齐操作的成功。(d) 提取的偏振比随PdSe₂/ReS₂异质结中相对b轴夹角(α)的变化关系。仅当两者的b轴平行时(α = 180°)偏振比达到最大，凸显了晶体轴对齐的重要性。(e) 660 nm激光不同偏振态照射下器件的读出电流与存储特性。(f) 不同波长(375, 532, 808, 914 nm)下偏振依赖光电流随入射角的变化。(g) 偏振依赖光电流的3D统计图，展示了COT器件的宽带偏振分辨能力。V1−V4代表PdSe₂的主要拉曼峰；N1−N4代表ReS₂的主要拉曼峰。

图4. 基于COT器件的可重构光电逻辑门。(a) 单器件逻辑门结构示意图，其中两束偏振方向垂直（⊥，逻辑“0”）和平行（∥，逻辑“1”）的偏振光作为逻辑输入(p, q)，源漏电流(S)作为逻辑输出。(b) 可重构逻辑门的工作原理示意图。通过使用不同波长的偏振光实现了可重构的光电逻辑门：914 nm光实现AND功能，375 nm光实现OR功能。此处，每次逻辑操作前均施加80 V的复位栅压脉冲。(c) 914 nm垂直与平行偏振光照射下的AND逻辑操作演示，以Ids作为逻辑输出，Vgs作为存储复位控制端。采用0.225 nA的阈值电流(Ith)区分逻辑状态“0”和“1”。(d) 375 nm垂直与平行偏振光照射下的OR逻辑操作演示，以Ids作为逻辑输出，采用1.25 μA的阈值电流(Ith)区分逻辑状态“0”和“1”。每次逻辑操作前均施加80 V的复位栅压脉冲。波长依赖的可重构逻辑门源于COT器件的波长依赖光电流特性。

结论与展望

综上所述，该研究展示了一种晶体轴对齐的氧插层晶体管，该器件直接集成了偏振光探测、光电流存储与光电逻辑三大功能。基于晶体轴对齐增强效应与稳定的电荷捕获机制，该器件实现了5.2 × 10⁴ A·W⁻¹的超高响应度、7.8 × 10¹⁵ cm Hz1/2W−1的比探测率、6 × 10⁴秒（预估达10年）的超长保留时间以及33个线性存储态。由此产生的高偏振比进一步使得利用不同偏振矢量作为逻辑输入成为可能，从而构建出光电逻辑门——这一特性从根本上区别于传统逻辑器件。团队相信，这项工作为下一代高速、低延迟、低功耗的感知系统引入了一个多功能"三合一"平台。更重要的是，它提供了一种适用于先进集成的普适性晶体管框架，使得采用单一器件类型和统一制备工艺即可构建超高密度的感存算一体化芯片成为可能。