本文亮点

1.首次提出W形反双极晶体管(AAT)概念并通过h-BN/MoTe2/BP范德华异质结成功实现，并且通过材料厚度实现对Λ区域位置、宽度和对称性的精准控制，在Vgs = 0 V处获得对称的Λ区域。

2.器件展现出四个连续输运区间、高开关比(>10^5)、μA级峰值电流，并且成功构建稳定的三值反相器;同时实现了无偏压倍频，显著降低能耗。

3.揭示了MoTe2与BP费米能级相对位置的变化对器件整流比反转的决定性作用，进一步实现了极性可逆的光伏型光探测功能，展示了器件在多值逻辑、模拟信号处理与光探测中的广阔应用潜力。

研究背景

随着传统CMOS技术逐渐逼近器件尺寸和能效的极限，发展具备高集成度、低功耗和多功能的新型器件架构成为下一代电子学的重要方向。AAT因其独特的非单调Λ形转移特性，近年来在多值逻辑运算、倍频电路及光电探测等方面受到广泛关注。与依赖复杂CMOS电路的传统方案不同，单个AAT即可实现倍频功能，显著简化电路结构;基于AAT的三值反相器还可有效降低系统复杂度、提升信息密度。

二维半导体凭借原子级厚度、优异的栅极调控能力以及丰富的能带类型，为构建AAT提供了理想平台，已在多种异质结体系中展现出Λ形反双极行为并演化出N和И形，但仍存在若干关键挑战：其一，稳定的W形AAT器件十分稀少，而W形转移特性可为多值逻辑电路提供更高的灵活性与容错性;其二，Λ区域的位置、宽度及对称性难以精准控制，直接影响逻辑电路的分辨能力与倍频性能;其三，已有AAT多聚焦于电学特性，缺少对光响应方面研究，限制了其在可重构器件中的应用。

研究内容

针对上述问题，本研究提出了一种基于h-BN/MoTe2/BP范德华异质结的高性能W形反双极晶体管架构。具体而言，通过调控MoTe2与BP的厚度，实现对单一材料双极性程度和电导最小点位置的调节，从而实现以Vgs = 0 V为中心的对称Λ区和稳定的W形转移特性。实验结果表明，该器件峰值电流可达μA级，开关比超过105，整体性能优于大多数已报道的AAT。利用这些特性，通过将AAT与N-FET串联连接来构建三值反相器，三态的逻辑窗口均达到20V，200次循环运行下的误差小于10%，表现出优异的稳定性。同时，以Vgs = 0 V为中心的对称Λ区域使器件实现了无偏压倍频，显著降低模拟信号处理功耗。更为重要的是，受益于MoTe2与BP之间优异的能带匹配关系，开发了一种光伏型整流光电探测器，其整流极性和光电流方向可通过栅极调节且可逆。整流比可跨越6个数量级(10−3至103)，暗电流低于0.5 pA，光响应度达到0.29 A/W，外量子效率(EQE)高达69.4%，响应时间仅100 μs，在1000次光开关循环后性能衰减小于3%。以上结果表明，该W形AAT在多值逻辑电路、低功耗信号处理与光探测等方面展现出广阔应用前景。

图文内容

图1.(a)基于Si/SiO2/h-BN衬底制备的MoTe2/BP异质结器件示意图。(b)器件光学显微镜图像，其中D1、D2、S1和S2分别表示与MoTe2和BP接触的漏极和源极电极。(c)MoTe2、BP及MoTe2/BP结区的拉曼光谱。(d)MoTe2/BP异质结能带图，显示构成材料的电子亲和势和带隙。

图2.(a)独立MoTe2(实线)和BP(虚线)晶体管的转移特性曲线。(b,c)MoTe2/BP异质结在正向(b)和反向(c)漏源电压(Vds)从0.5V到2V(步长0.5V)下的转移特性。(d)异质结的峰值电流(Ipeak)、左右谷电流(ILeft/IRight)以及峰谷电流比(PVCRLeft/PVCRRight)。(e)异质结的IPeak、PVCRLeft和PVCRRight对比。(f)异质结左右截止电压(VLeft/VRight)及对称度(SD)的比较。

图3.(a)AAT(红色)和N-FET(蓝色)在Vds=1V时的转移特性曲线。(b)由AAT(器件A)和n型FET(器件B)串联组成的三值反相器示意图。(c)VDD=1V时三值反相器的电压传输曲线及电压增益(插图)。(d)VDD=1V时三值反相器经过200次循环后的电压传输曲线，显示首次和末次测量结果;插图为两条曲线的差异。(e)基于AAT的Λ区域构建的频率倍增器原理示意图。(f)频率倍增器的实测输入(紫色)和输出(黄色)波形。

图4.(a-c)异质结在不同Vgs范围内的输出特性：(a) -60至-30V，(b) -20至10V，(c) 20至60V。(d)异质结整流比(IF/IR)随Vgs变化关系，插图为正向(Vds=1V)和反向(Vds=-1V)电流随Vgs变化曲线。(e)MoTe2(蓝色)和BP(红色)的载流子密度及类型随Vgs变化关系。(f)MoTe2(蓝色)和BP(红色)的费米能级位置随Vgs变化，绿色曲线表示两种材料费米能级差。(g-i)不同Vgs下MoTe2/BP异质结能带图：(g)P+-P-结，(h)P-N结，(i)N-N结。

图5.(a,b)异质结在520nm激光照射下随入射功率变化的光电流响应：(a)Vgs=0V和(b)Vgs=-40V。(c)器件光电流成像系统示意图。(d)81×246像素的"Tianjin University"图案光电流图像，其中"Tianjin"在Vgs=0V、"University"在Vgs=-40V条件下(520nm激光，6.72mW/cm2入射功率)成像。(e)从(d)中第76至81行提取的暗电流值。(f)器件在Vgs=0V、520nm激光照射下的时间分辨光电流响应。

研究结果

这项研究不仅创新性提出了新型W形反双极晶体管，而且实现了在单一器件中集成三值逻辑、无偏压倍频与极性可逆光探测的多功能特性，为构建可重构、低功耗的二维集成电子系统提供了新思路。该研究成果以“W-Shaped Antiambipolar Transistors Based on h-BN/MoTe2/BP Heterostructures”为题于2025年10月在线发表于ACS Nano，天津大学副教授武恩秀为第一作者兼论文通讯作者, 天津大学2023级硕士研究生马月轩为第二作者，天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室为论文第一单位。

2026年5月，该论文同时入选ESI高被引论文与热点论文：其在Materials Science领域近十年的被引频次已进入同出版年论文的前1%，被认定为高被引论文;其发表于过去两年内，并且近两个月的被引频次达到该领域全球前0.1%，被认定为热点论文。

DOI: 10.1021/acsnano.5c11809

团队介绍

天津大学武恩秀课题组依托于天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，专注于二维原子层半导体器件输运特性研究及应用，包括以传感新机理探究和高性能传感器研制为突破点，研究多物理场耦合作用下的新型微纳传感器;基于二维范德华异质结的高容量存储器和新型逻辑存内运算器件;以类突触晶体管、忆阻器为核心的存算一体化器件和感存算一体化器件。近五年，团队承担国家自然科学基金青年/面上/培育、国家重点研发计划子课题等多个国家级科研项目。迄今，团队多项研究成果已发表在Science Advances，ACS Nano，Advanced Functional Materials，Nano Letters，SmartMat，InfoMat，Nano Research ，Rare Metals等国际著名学术期刊。实验室培养了一批高水平科研人才，多人荣获研究生“国家奖学金”、天津大学“优博基金”等荣誉称号。

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