基于二維范德華（2D vdW）材料的異質結構器件由于其異質結特性而在高端電子應用中得到了廣泛研究。在這項研究中，作者展示了由橫向串聯雙極半導體/Gr橋/n型二硫化鉬組成的石墨烯（Gr）橋異質結構器件作為場效應晶體管（FET）的溝道材料。與傳統 FET 操作不同，作者的 Gr 橋器件表現出非經典傳輸特性（駝峰傳輸曲線），因此具有負差分跨導。這些現象被解釋為兩個串聯 FET 的工作行為，它們是由 Gr 橋層的柵極可調接觸電容造成的。使用具有窄禁帶和寬帶隙材料的雙極半導體作為基于非經典傳輸特性的更先進的電路應用，成功演示了多值邏輯逆變器和三倍頻器電路。因此，這項創新且簡單的器件結構工程將成為未來二維納米電子學多功能電路應用的一項有前途的技術。
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Fig 1. (a) 雙極PdSe?和WSe? FET的原子晶體結構和ID-VG轉移特性曲線; (b) 雙極半導體中Eg, Vth和ID之間關系示意圖;(c) 二維雙極半導體FET基于不同能帶隙的谷狀估計轉移模型;(d) Gr橋異質結構器件的概念器件原理圖和電子元件符號;(e) Gr 橋場效應晶體管的器件結構及串聯電阻模型。
Fig 2. (a) 用于多值邏輯應用的PGM-FET橫斷面3D器件示意圖;(b)(c) PGM-FET的OM圖像;(d) MoS?-FET、PdSe?-FET和PGM-FET在VD為1 V時的ID-VG傳輸特性曲線;(e)(f)(g)(h)根據MoS?-FET, PdSe?-FET和 PGM-FET的ID-VG輸出特性曲線估算出PGM-FET的跨導。
Fig 3. (a) 基于PGM - FET的電阻負載逆變器多值邏輯電路應用電路圖;(b) 0.1-2v VDD基于PGM - FET的多值邏輯運算的VTC特征曲線，插圖顯示了三種不同的輸出狀態;(c) 所演示的VDD三元逆變邏輯電路的電壓增益范圍為0.1 V至2 V，插圖顯示了正弦波形Vin的動態Vout響應。
Fig 4. (a) 用于頻率三倍器電路應用的WGM-FET的橫截面3D器件示意圖;(b)(c)圖案化前后WGM-FET的OM圖像;(d) MoS?-FET、WSe?-FET和WGM-FET的ID-VG傳輸特性曲線;(e)從(d)得到的WGM-FET的估計跨導。
Fig 5. (a) 基于WGM -FET的電阻負載逆變電路應用電路圖;(b) 基于WGM -FET的頻率三倍器電路在VDD為2 V時的VTC曲線，插圖顯示了四種不同的輸出狀態 (c) 基于WGM -FET的三倍頻電路的電壓增益;(d) 頻率三倍器由一個周期Vin轉換的頻率響應。(e) 頻率三倍器電路對0.1 hz、0.5 hz和1hz輸入正弦波形Vin的實時Vout響應。
相關研究工作由韓國仁荷大學Young Tack Lee課題組于2023年在線發表在《Nano-Micro Letters》期刊上，Graphene Bridge Heterostructure Devices for Negative Differential Transconductance Circuit Applications，原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s40820-022-01001-5
轉自《石墨烯研究》公眾號
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