韩国仁荷大学Young Tack Lee等人：负微分跨导电路中的石墨烯桥异质结器件

研究背景

基于二维范德华(2D vdW)材料的异质结器件在高端电子领域得到广泛研究。本文展示了由横向串联双极半导体/石墨烯(Gr)桥/n型二硫化钼(MoS₂)组成的Gr桥异质结构器件，作为场效应晶体管(FET)的通道材料。与传统的FET不同，该Gr桥器件表现出非经典的传输特性(驼峰传输曲线)，因此具有负微分跨导。多值逻辑逆变器和频率三倍器电路的应用，表明了窄带隙、宽带隙材料的双极半导体在基于非经典传输特性电路中的应用潜力。因此，具有创新和简单的设备结构工程技术，在未来二维纳米电子多功能电路应用中具有不可估量的前途。

Graphene Bridge Heterostructure Devices for Negative Differential Transconductance Circuit Applications

Minjong Lee, Tae Wook Kim, Chang Yong Park, Kimoon Lee, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Min-gu Kim *, Do Kyung Hwang *, Young Tack Lee*

Nano-Micro Letters (2023)15: 22

https://doi.org/10.1007/s40820-022-01001-5

本文亮点

1. 横向串联双极/Gr/n型2D vdW沟道材料构成的Gr桥异质结构，开发双极半导体高端应用器件。

2. 非经典传输特性(驼峰曲线)和负微分跨导。

3. Gr桥异质结构器件实现PdSe₂(窄带隙)多值逻辑操作，WSe₂(宽带隙)三倍频电路操作。

内容简介

韩国仁荷大学的Min-gu Kim与Do Kyung Hwang课题组研究了一种横向串联双极半导体/Gr/n型MoS₂级联通道器件，称为Gr桥异质结构。每个活性通道部分表现出不同的输运特性，如双极性、金属性和单极性。串联的栅通道结合了各部分的传输特性，遵从Gr桥接栅通道的总阻力。Gr桥具有金属和无间隙能带特性，能够降低双极半导体和n型MoS₂结区之间的势垒高度。利用这种方法，Gr桥可以实现独特的开关设备和高级应用。本文演示了多值逻辑逆变器电路和三倍频器，通过设计器件架构，将电气特性融合到高端应用中，Gr桥异质结结构将打开未来电子产品的大门。

图文导读

I 二维双极半导体和Gr桥异质结构器件

图1(a)显示了PdSe₂和WSe₂基于传统通道FET的传输特性。采用六方氮化硼(h-BN)夹层结构和Gr S/D电极，研究双极转移特性(ID-VG)。WSe₂-FET表现出较低的漏极ON (ID,p和ID,n)和OFF ID (ID, OFF)电流，然而，ION/IOFF高于PdSe₂-FET。窄带隙材料通常具有良好的电子和空穴载流子迁移率，在FET器件中具有较高的ON ID值，一般来说OFF ID较差。能带隙特性导致不同的传输特性，如图1(b)所示。图1(c)显示了典型的顶栅晶体管器件原理图和双极FET谷状传输特性模型。主动通道的窄带隙意味着即使VG的微小变化，也会引起大量的载流子靠近谷状转移曲线的中心，从而导致高ION、高IOFF和低ION/IOFF。虽然窄带隙双极半导体通常表现出高性能的FET行为，但与宽带隙双极半导体相比，高IOFF使其难以用于优异开关特性的数字逻辑电路。本文基于PdSe₂和WSe₂有源通道材料的双极特性研究Gr桥异质结构器件，以实现先进的电子应用，如多值逻辑逆变器和频率三倍器电路。如图1(d)所示，顺序连接的Gr-S、双极半导体、Gr 桥层、MoS₂和Gr-D组成的平台。从本质上讲，Gr桥FET可以看作是具有相同电特性的双极FET和MoS₂-FET的串联。图1(e)显示了Gr桥 FET串联电阻模型。由于串联特性，总电阻(Rtot)取决于各场效应晶体管部分的电阻之和，因此，在器件运行过程中，Rtot遵循两个有源通道的较高电阻。基于这些特性，双极和MoS₂有源通道器件将展示合成传输特性曲线，作为高端器件应用的突破。

图1. (a) 双极PdSe₂和WSe₂ FET的原子晶体结构和ID-VG转移特性曲线; (b) 双极半导体中Eg, Vth和ID之间关系示意图;(c) 二维双极半导体FET基于不同能带隙的谷状估计转移模型;(d) Gr桥异质结构器件的概念器件原理图和电子元件符号;(e) Gr 桥场效应晶体管的器件结构及串联电阻模型。

II  PdSe₂-Gr-MoS₂异质结场效应晶体管

由双极PdSe₂和n型MoS₂有源通道材料组成的Gr桥高端器件，可用于多值逻辑应用，如图2(a)所示。图2(b)(c)显示了S/D电极和G电极金属图案化前后的OM图像。为了制备样品，将底部h-BN、Gr S/D、MoS₂-Gr-PdSe₂异质结构和h-BN栅绝缘子依次剥离并转移到285 nm厚的SiO2/p⁺- Si衬底上。随后，使用电子束光刻和电子束蒸发系统组合，对Ti/Au (5/50 nm)电极进行了图案化和沉积。图2(d)显示了MoS₂-FET、PdSe₂-FET和PdSe₂-Gr-MoS₂异质结构器件在漏极电压(VD)为1 V时的ID-VG传输曲线。我们将Gr 桥接器件(PdSe₂-Gr-MoS₂ FET)命名为“PGM-FET”。由于采用h-BN夹层结构提供高质量的接口，所有FET操作中都存在无迟滞的理想传输特性。MoS₂-FET表现出强烈n型转移特性，PdSe₂-FET以Gr桥层为源表现出双极转移特性。石墨烯夹层具有栅极可调的接触能力，可以充当“桥梁”，从而降低双极和n型有源通道之间的肖特基结。为了详细分析PGM-FET的传输特性，计算了跨导(gm = dID/dVG)，在III区域观察到负gm，如图2(e)所示。图2(f-h)显示了依据VG获得的MoS₂-FET、PdSe₂-FET和PGM-FET的ID-VD曲线，范围为-2 V到2 V，步长为0.5 V。Gr电桥提供可调的欧姆接触特性，因此，MoS₂和PdSe₂活性通道的输出曲线分别表现出典型的n型输运和双极输运特性。此外，PGM-FET表现出MoS₂-FET (VG范围从-2到-1 V)和PdSe₂-FET(VG范围从-0.5到2 V)的复合输出特性。

图2.(a) 用于多值逻辑应用的PGM-FET横断面3D器件示意图;(b)(c) PGM-FET的OM图像;(d) MoS₂-FET、PdSe₂-FET和PGM-FET在VD为1 V时的ID-VG传输特性曲线;(e)(f)(g)(h)根据MoS₂-FET, PdSe₂-FET和 PGM-FET的ID-VG输出特性曲线估算出PGM-FET的跨导。

III  基于PGM-FET的多值逻辑电路应用

基于非经典驼峰ID-VG传输特性，我们将PGM-FET研究扩展到多值逻辑电路应用中。在驼峰ID曲线附近选择一个10 MΩ的外部电阻搭建电阻负载逆变电路，如图3(a)所示。图3(b)显示了不同供电电压(VDD)条件下， PGM-FET电阻负载逆变电路的电压传输特性(VTC)。插图显示了三级反向输出电压响应，输入电压(Vin)为-2 V、0 V、2 V时，分别产生VDD、VDD/2和约为0V的Vout。图3(c)为三元逆变逻辑电路在不同VDD条件下的绝对电压增益。在VDD为2V时，电压增益约为4(第一次压降)和1.6(第二次压降)。插图显示了从Vin的正弦波形中获得的动态Vout响应，它可以识别所演示的三元逻辑电路的动态三元电平。峰值电压为4 V，周期为1 s。

图3.(a) 基于PGM – FET的电阻负载逆变器多值逻辑电路应用电路图;(b) 0.1-2v VDD基于PGM – FET的多值逻辑运算的VTC特征曲线，插图显示了三种不同的输出状态;(c) 所演示的VDD三元逆变逻辑电路的电压增益范围为0.1 V至2 V，插图显示了正弦波形Vin的动态Vout响应。

IV  WSe₂-Gr-MoS₂异质结构场效应晶体管器件

作为迈向先进电子应用的第二种途径，本文采用宽带隙双极有源通道WSe₂代替PdSe₂三元逻辑电路实现Gr桥异质结构器件。图4(a)显示了WSe₂-Gr-MoS₂ FET的三维器件示意图，命名为“WGM-FET”。图4(b)(c)分别显示了通过相同的PGM-FET器件制造工艺，S/D和G电极图形化前后的OM图像。图4(d)显示了2 V VD下MoS₂-FET、WSe₂-FET和WGM-FET的ID-VG传递曲线。在这种情况下，WGM-FET的传递曲线在I和II区域遵循MoS₂-FET的传递曲线，在III和IV区域遵循WSe₂-FET的传递曲线。然而，与PGM-FET的情况不同，宽带隙WSe₂通道引起WGM-FET的低IOFF水平，因此，传输特性曲线类似于大写字母“N”。图4(e)为WGM-FET的gm-VG曲线，由于WSe₂活性通道的p型跃迁，可以在操作区III观察到负gm。

图4.(a) 用于频率三倍器电路应用的WGM-FET的横截面3D器件示意图;(b)(c)图案化前后WGM-FET的OM图像;(d) MoS₂-FET、WSe₂-FET和WGM-FET的ID-VG传输特性曲线;(e)从(d)得到的WGM-FET的估计跨导。

V  基于WGM – FET的三倍频电路应用

WGM-FET的非经典传输特性在逆变逻辑电路应用中展示出独特的VTC特性，即一个倒置的字母“N”样曲线，如图5(a)所示。为了实现电阻负载逆变电路，将100 MΩ的外部电阻连接到WGM-FET。图5(b)为VTC曲线，根据Vin在VDD为2 V时的电压扫描，四个过渡态依次为“High”、“Low”、“High” 和“Low” 。插图显示了Vin为-1 V、-0.5 V、1 V和2 V时的四种不同逻辑状态。图5(c)显示了演示的逆变电路的电压增益，有负值和正值。“Low-High-Low”的双重扫描，类似于单一波形，将产生“High–Low–High–Low–High–Low–High”连续输出状态。与Vin的正弦波形相关的可重复“高”和“低”输出逻辑状态高级频率响应，如图5(d)所示，一个周期Vin正弦波形产生三个周期Vout波形。这种电路应用方法可以看作是一个“三倍频器”，它可以产生输入频率(fin)的三倍输出频率(fout)值。最后，我们首次成功地演示了一个由宽带隙双极半导体组成的单Gr桥异质结构FET的频率三倍器。图5(e)显示了0.1 hz、0.5 hz和1 hz时正弦波形Vin的实时Vout响应。与传统的倍频电路相比，此倍频应用具有低功耗和低成本的经济效益，适用于未来的先进电子设备。

图5.(a) 基于WGM -FET的电阻负载逆变电路应用电路图;(b) 基于WGM -FET的频率三倍器电路在VDD为2 V时的VTC曲线，插图显示了四种不同的输出状态 (c) 基于WGM -FET的三倍频电路的电压增益;(d) 频率三倍器由一个周期Vin转换的频率响应。(e) 频率三倍器电路对0.1 hz、0.5 hz和1hz输入正弦波形Vin的实时Vout响应。

作者简介

Young Tack Lee
本文通讯作者
韩国仁荷大学教授

▍主要研究领域

（1）积木状二维纳米器件；（2）先进电子器件；（3）先进传感系统应用；（4）类脑器件应用。

▍Email：ytlee@inha.ac.kr