依据二维范德华(2D vdW)资料的异质结器材在高端电子范畴得到遍及研讨。本文展现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桥异质结构器材，作为场效应晶体管(FET)的通道资料。与传统的FET不同，该Gr桥器材表现出非经典的传输特性(驼峰传输曲线)，因而具有负微分跨导。多值逻辑逆变器和频率三倍器电路的运用，表明晰窄带隙、宽带隙资料的双极半导体在依据非经典传输特性电路中的运用潜力。因而，具有创新和简略的设备结构工程技术，在未来二维纳米电子多功能电路运用中具有不可估量的出路。

  1.横向串联双极/Gr/n型2D vdW沟道资料构成的Gr桥异质结构，开发双极半导体高端运用器材。

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

  韩国仁荷大学的Min-gu Kim与Do Kyung Hwang课题组研讨了一种横向串联双极半导体/Gr/n型MoS₂级联通道器材，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，遵照Gr桥接栅通道的总阻力。Gr桥具有金属和无空隙能带特性，能够下降双极半导体和n型MoS₂结区之间的势垒高度。运用这种方法，Gr桥能轻松完成共同的开关设备和高档运用。本文演示了多值逻辑逆变器电路和三倍频器，经过规划器材架构，将电气特性融合到高端运用中，Gr桥异质结结构将翻开未来电子科技类产品的大门。

  图1(a)显现了PdSe₂和WSe₂依据传统通道FET的传输特性。选用六方氮化硼(h-BN)夹层结构和Gr S/D电极，研讨双极搬运特性(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，但是，ION/IOFF高于PdSe₂-FET。窄带隙资料一般具有十分杰出的电子和空穴载流子迁移率，在FET器材中具有较高的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)显现了典型的顶栅晶体管器材原理图和双极FET谷状传输特性模型。自动通道的窄带隙意味着即便VG的细小改变，也会引起很多的载流子接近谷状搬运曲线的中心，因而导致高ION、高IOFF和低ION/IOFF。尽管窄带隙双极半导体一般表现出高性能的FET行为，但与宽带隙双极半导体比较，高IOFF使其难以用于优异开关特性的数字逻辑电路。本文依据PdSe₂和WSe₂有源通道资料的双极特性研讨Gr桥异质结构器材，以完成先进的电子运用，如多值逻辑逆变器和频率三倍器电路。如图1(d)所示，次序衔接的Gr-S、双极半导体、Gr 桥层、MoS₂和Gr-D组成的渠道。从本质上讲，Gr桥FET能够看作是具有相同电特性的双极FET和MoS₂-FET的串联。图1(e)显现了Gr桥 FET串联电阻模型。因为串联特性，总电阻(Rtot)取决于各场效应晶体管部分的电阻之和，因而，在器材运转过程中，Rtot遵从两个有源通道的较高电阻。依据这些特性，双极和MoS₂有源通道器材将展现组成传输特性曲线，作为高端器材运用的打破。

  图1. (a) 双极PdSe₂和WSe₂ FET的原子晶体结构和ID-VG搬运特性曲线; (b) 双极半导体中Eg, Vth和ID之间联系示意图;(c) 二维双极半导体FET依据不同能带隙的谷状估量搬运模型;(d) Gr桥异质结构器材的概念器材原理图和电子元件符号;(e) Gr 桥场效应晶体管的器材结构及串联电阻模型。

  由双极PdSe₂和n型MoS₂有源通道资料组成的Gr桥高端器材，可用于多值逻辑运用，如图2(a)所示。图2(b)(c)显现了S/D电极和G电极金属图画化前后的OM图画。为了制备样品，将底部h-BN、Gr S/D、MoS₂-Gr-PdSe₂异质结构和h-BN栅绝缘子顺次剥离并搬运到285 nm厚的SiO2/p⁺- Si衬底上。随后，运用电子束光刻和电子束蒸发体系组合，对Ti/Au (5/50 nm)电极进行了图画化和堆积。图2(d)显现了MoS₂-FET、PdSe₂-FET和PdSe₂-Gr-MoS₂异质结构器材在漏极电压(VD)为1 V时的ID-VG传输曲线。咱们将Gr 桥接器材(PdSe₂-Gr-MoS₂ FET)命名为“PGM-FET”。因为选用h-BN夹层结构供给高质量的接口，一切FET操作中都存在无迟滞的抱负传输特性。MoS₂-FET表现出激烈n型搬运特性，PdSe₂-FET以Gr桥层为源表现出双极搬运特性。石墨烯夹层具有栅极可调的触摸才能，能够充任“桥梁”，以此来下降双极和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)显现了依据VG取得的MoS₂-FET、PdSe₂-FET和PGM-FET的ID-VD曲线 V。Gr电桥供给可调的欧姆触摸特性，因而，MoS₂和PdSe₂活性通道的输出曲线别离表现出典型的n型输运和双极输运特性。此外，PGM-FET表现出MoS₂-FET (VG规模从-2到-1 V)和PdSe₂-FET(VG规模从-0.5到2 V)的复合输出特性。

  依据非经典驼峰ID-VG传输特性，咱们将PGM-FET研讨扩展到多值逻辑电路运用中。在驼峰ID曲线 MΩ的外部电阻建立电阻负载逆变电路，如图3(a)所示。图3(b)显现了不同供电电压(VDD)条件下， PGM-FET电阻负载逆变电路的电压传输特性(VTC)。插图显现了三级反向输出电压呼应，输入电压(Vin)为-2 V、0 V、2 V时，别离发生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条件下的肯定电压增益。在VDD为2V时，电压增益约为4(第一次压降)和1.6(第2次压降)。插图显现了从Vin的正弦波形中取得的动态Vout呼应，它能够辨认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) 依据PGM - FET的电阻负载逆变器多值逻辑电路运用电路图;(b) 0.1-2v VDD依据PGM - FET的多值逻辑运算的VTC特征曲线，插图显现了三种不同的输出状况;(c) 所演示的VDD三元逆变逻辑电路的电压增益规模为0.1 V至2 V，插图显现了正弦波形Vin的动态Vout呼应。

  作为迈向先进电子运用的第二种途径，本文选用宽带隙双极有源通道WSe₂替代PdSe₂三元逻辑电路完成Gr桥异质结构器材。图4(a)显现了WSe₂-Gr-MoS₂ FET的三维器材示意图，命名为“WGM-FET”。图4(b)(c)别离显现了经过相同的PGM-FET器材制作工艺，S/D和G电极图形化前后的OM图画。图4(d)显现了2 V VD下MoS₂-FET、WSe₂-FET和WGM-FET的ID-VG传递曲线。在这种状况下，WGM-FET的传递曲线在I和II区域遵从MoS₂-FET的传递曲线，在III和IV区域遵从WSe₂-FET的传递曲线。但是，与PGM-FET的状况不同，宽带隙WSe₂通道引起WGM-FET的低IOFF水平，因而，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，因为WSe₂活性通道的p型跃迁，能够在操作区III观察到负gm。

  WGM-FET的非经典传输特性在逆变逻辑电路运用中展现出共同的VTC特性，即一个倒置的字母“N”样曲线(a)所示。为完成电阻负载逆变电路，将100 MΩ的外部电阻衔接到WGM-FET。图5(b)为VTC曲线，依据Vin在VDD为2 V时的电压扫描，四个过渡态顺次为“High”、“Low”、“High” 和“Low” 。插图显现了Vin为-1 V、-0.5 V、1 V和2 V时的四种不同逻辑状况。图5(c)显现了演示的逆变电路的电压增益，有负值和正值。“Low-High-Low”的两层扫描，类似于单一波形，将发生“High–Low–High–Low–High–Low–High”接连输出状况。与Vin的正弦波形相关的可重复“高”和“低”输出逻辑状况高档频率呼应，如图5(d)所示，一个周期Vin正弦波形发生三个周期Vout波形。这种电路运用方法能够看作是一个“三倍频器”，它能够发生输入频率(fin)的三倍输出频率(fout)值。最终，咱们初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)显现了0.1 hz、0.5 hz和1 hz时正弦波形Vin的实时Vout呼应。与传统的倍频电路比较，此倍频运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) 依据WGM -FET的电阻负载逆变电路运用电路图;(b) 依据WGM -FET的频率三倍器电路在VDD为2 V时的VTC曲线，插图显现了四种不同的输出状况 (c) 依据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转化的频率呼应。(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呼应。

  （1）积木状二维纳米器材；（2）先进电子器材；（3）先进传感体系运用；（4）类脑器材运用。