​客户成果丨复旦大学《Advanced Functional Materials》：基于范德华异质结的反双极性晶体管实现栅极可编程整流

复旦大学未来信息创新学院张荣君教授团队在范德华异质结光晶体管领域取得最新进展，该研究成果以“Anti-Ambipolar Transistor Based on Van Der Waals Heterostructure Enables Gate-Programmable Rectification”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

传统光电探测器受限于单一界面势垒，面临功能固化、依赖外接偏置、光电响应模式单一等挑战，难以满足新一代智能传感与集成光电子系统对可编程、低功耗、多功能的需求。针对上述问题，研究团队构建了一种Bi2Se3/WSe2/WS2垂直堆叠范德华异质结，利用两个串联且可栅极重构的界面势垒，在单一器件中同时实现了反双极性输运、栅极可编程整流、宽谱自供电光响应与极性可重构光电流。该器件在栅极选通模式下表现出高灵敏探测能力，并成功应用于多逻辑光电编码、极性可编程成像及神经网络辅助图像识别，为多功能智能光电系统提供了新平台。

研究团队通过机械剥离与干法转移技术，制备了Bi2Se3/WSe2/WS2三层垂直堆叠范德华异质结。这一设计使得器件在Bi2Se3/ WSe2和WSe2/ WS2界面构成了两个串联的界面势垒。通过背栅电压调制，器件内部能带发生重构，使器件在转移特性曲线上呈现出双导电峰的反双极性输运行为，并呈现出四个不同的整流区间，可实现整流方向与强度的动态切换，其中两个栅极选通的强整流区的整流比最高可达104。器件展现出优异的光电探测性能，包括高响应度、高比探测率、高外量子效率及微秒级响应速度。同时，该器件在零偏压下即可工作，利用内建电场分离光生载流子，实现了从375–1050 nm的宽谱自供电光响应。

图1 Bi2Se3/WSe2/WS2范德华异质结器件结构与输运特性。（a）器件结构示意图；（b-f）栅极调制的反双极性输运与整流切换。

研究团队进一步演示了栅极可编程的光电流极性反转现象。在零偏压下切换栅压，器件光电流方向可在正负之间可逆切换，实现了物理层面的多值逻辑编码。基于此，团队演示了多逻辑态光电编码，成功将光信号编码为ASCII码并解码出字母。此外，利用单像素扫描成像系统，在自供电模式下通过切换栅压即可获得对比度反转的光电流图像，展示了极性编码成像的可行性。研究团队还将实验数据与卷积神经网络（CNN）结合，在MNIST手写数字识别任务中达到97%-98%的识别准确率，展现了该器件在智能光电系统中的应用潜力。

图2 极性编码成像和神经网络辅助识别。（a）单像素扫描成像测试装置示意图；（b）Vds=0 V、Vg=−40 V 与（c）Vg=40 V 下字母“F”的光电流成像结果，实现极性编码成像；（d）MNIST数据库图像识别的神经网络示意图；在Vg=−40 V和Vg=40 V系统下的（e）数字图像特征示例,（f）识别准确率和（g-h）混淆矩阵。

该工作通过能带工程与界面设计，在单一范德华异质结器件中集成了反双极性输运、栅极可编程整流、自供电宽谱探测与极性可重构光电流等丰富功能，并成功拓展至光电编码、极性成像与智能识别领域，为开发超越传统架构的多功能、低功耗光电子器件提供了新路径。

该工作中通过使用TuoTuo Technology的UV Litho-ACA紫外无掩模光刻机进行器件的电极图案化制备。

复旦大学未来信息创新学院博士生齐姣为文章的第一作者，张荣君教授为通讯作者。研究工作受国家自然科学基金、上海市基础研究计划“集成电路专项”、集成芯片与系统全国重点实验室及复旦大学-中科院长春光机所联合基金等项目资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77475