客户成果丨华南师范大学《ACS AMI》：高空穴迁移率TeGaAs范德华结型场效应晶体管，用于多模式光电探测和逻辑应用

近年来，界面散射和低迁移率严重阻碍了二维（2D）p型晶体管的性能，而基于二维材料的JFET器件的最新进展提供了一种前景广阔的替代方案。这类器件具有原子级锐利的范德华界面，有助于减少晶体管中栅极界面和超薄二维沟道之间的界面缺陷从而提高晶体管的性能。

有鉴于此，华南师范大学工学部电子科学与工程学院（微电子学院）孙一鸣副研究员联合霍能杰研究员和浙江大学李京波教授利用Te/砷化镓（GaAs）异质结构设计了一种混维JFET，该JFET具有大导通电流、高跨导和高达328.4 cm2V-1s-1空穴迁移率，并以此结构开发出具有正光电导（PPC）、负光电导（NPC）和光伏（PV）模式的多功能光电探测器。基于这些特性，本文开发了基于Te/GaAs JFET的逻辑反相器、多值光电逻辑门以及负光电导单点成像应用。这为未来的逻辑电路和光电子器件提供了一条潜在的研究途径。

本研究成果以“High Hole Mobility van der Waals Junction Field-Effect Transistors Based on Te/GaAs for Multimode Photodetection and Logic Applications”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

图1. Te/GaAs混维JFET的结构和表征。Te/GaAs JFET的(a)结构示意图和(b)光学显微镜图像。(c) Te、GaAs和Te/GaAs异质结的拉曼散射光谱。(d) Te/GaAs JFET的三维AFM厚度图像。(e-f) Te/GaAs异质结和Te沟道的能带图。Vgp表示应用于Te沟道的栅极偏置。

图2. Te/GaAs混维JFET的室温电学特性。(a) Te/GaAs二极管的I−V特性曲线。(b)器件在欧姆接触下的输出特性。(c)不同Vg作用下的JFET输出特征曲线。(d)不同Vd作用下的JFET转移特征曲线。（e-f）不同Vd作用下的JFET跨导和载流子迁移率曲线。

图3. Te/GaAs混维JFET在不同Vd和Vg条件下的TCAD耗尽区模拟。（a−c）在Vg作用下，Te/GaAs JFET的耗尽区分布。从红色到紫色的不同颜色表示空穴浓度从高到低。（d−f）在Vd和Vg共同作用下，Te/GaAs JFET的耗尽区分布。从红色到紫色的不同颜色表示空穴浓度从高到低。

图4. 使用不同GaAs掺杂浓度的器件的转移特性比较：(a) 1 × 1016 cm-3；(b) 1 × 1018 cm-3。(c) 使用不同GaAs掺杂浓度的器件的耗尽区宽度比较：(i, ii) 1 × 1016 cm-3；(iii, iv) 1 × 1018 cm-3。不同栅极长度的器件的转移特性比较：(d) 6.5 μm，(e) 7.5 μm，(f) 9.0 μm。

图5. Te/GaAs混维JFEs的室温光电特性。(a) Te MOSFET和(b) Te/GaAs JFET器件的结构示意图和负光电导I−t特征曲线。(c) Te/GaAs NPC光电探测器与其他NPC光电探测器的检测性能比较。(d, e) 在635 nm激光照射下，Vd = 0.1 V的漏极光电流及其响应率与Vg的函数关系，表现出NPC效应。(f, g) 在635 nm激光照射下，Vd = 0.1 V的栅极光电流及其响应率与Vg的函数关系，表现出PPC效应。Te/GaAs异质结分别在(h) 532 nm、(i) 635 nm和(j) 808 nm激光照射下，Vd = 0 V的I-t特征曲线，表现出PV效应。(k) 在532、635和808 nm的激光照射下，响应率与功率的函数关系。

图6. Te/GaAs混维JFET的应用。(a) JFET电阻负载式逻辑反相器在0.6 V-1 V电源电压下的电压转移特性（插图为逻辑反相器的电路原理图和实物图）。(b) 根据电压转移特性计算出的电压增益值。(c) 输入电压扫描过程中的静态功耗。(d) 以可见光、Vg和Vd作为输入，漏极光电流作为输出的多值光电逻辑门。(e)多值光电逻辑门的逻辑运算和真值表。(f) 用于成像应用的实验装置示意图。(g) 在630 nm激光照射下的“SCNU”图案的负光电导成像结果。

综上所述，该研究工作主要集中在Te/GaAs JFET的电学和光电特性上。该JFET具有优异的整流特性，约为104的良好开关比，以及约为328.4 cm2V−1s−1高空穴迁移率。此外，通过对不同载流子浓度的GaAs的JFETs转移特性进行研究发现，揭示了栅极载流子浓度对阈值电压偏移的影响，载流子浓度高的器件能更快的达到截止状态。随后对不同栅极长度的JFET进行比较发现，减少栅极长度可以提高器件的各项性能指标，如开关速度、阈值电压、跨导和载流子迁移率等，尽管这种提高伴随着泄漏电流的增加。在635 nm激光照射下，实现了单一器件中同时具备NPC、PPC和PV三种工作模式的多功能光电探测器。这一现象归因于Te的NPC效应与GaAs中光生载流子的PPC效应之间的相互作用。基于这些特性，利用2D Te/3D GaAs JFET设计了逻辑反相器和多值光电逻辑门。最后，对基于JFET器件的高分辨率单像素图像传感器进行了演示，以确定其可观的可见光成像功能。这些结果为未来基于二维材料的电子和光电子器件的发展提供了新的可能性。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成Te/GaAs异质结的电极图案光刻过程。

作者信息：华南师范大学工学部电子科学与工程学院（微电子学院）硕士生黎飞和曾江为论文的共同第一作者，华南师范大学工学部电子科学与工程学院（微电子学院）孙一鸣副研究员、霍能杰研究员和浙江大学李京波教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委员会、中国博士后科学基金项目、“珠江人才招聘计划”以及华南师范大学青年教师研究培养基金项目等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.5c00891