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Nano Res.[半导体]│复旦大学张增星课题组:基于范德华接触的硒化钨双极性晶体管及其在感算一体架构中的应用研究

本篇文章版权为张增星课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


随着物联网(IoT)、信息物理系统(CPS)等信息技术应用的出现,越来越多的图像任务亟需处理,对信息处理系统处理能力和能效提出了越来越高的要求。而在传统架构中,由于不同的功能要求和制造技术,图像传感和计算处理单元在物理上是分开的,这种物理隔离导致大量冗余的数据转换和传输,限制了数据传输和处理的效率。近年来,具有图像内计算新型架构的图像传感器由于不需要额外的数据转换与传输,能够降低大量数据物理传输导致的速度与能耗问题,在数据处理方面显示出巨大优势,为新型高效图像处理技术的实现提供了机会。为了实现高效的感算一体架构,需要可重构的光电晶体管,其可由基于双极性半导体的可重构二极管实现。这种二极管一般采用肖特基接触,无法同时实现两种载流子的高效传输,限制了器件性能的进一步提升。


成果简介


复旦大学张增星课题组基于范德华接触结构,通过将材料直接转移到预沉积的金属电极上实现了高性能的双极性晶体管。该双极性晶体管可实现较对称的空穴迁移率与电子迁移率,以及较相近的P态与N态开关比。通过变温实验证实了该双极性器件具有较低的等效肖特基势垒。基于该范德华接触,他们进一步制备了具有双半栅的晶体管器件,研制出可重构PIN结二极管器件,其具有可重构光电二极管的性能,光电探测性能在PIN与NIP两个模式下表现出了较好的线性度与对称性。利用这个特性,通过将其应用于感算一体的架构中,成功实现了16种图像处理。该工作为双极性晶体管在高性能感算一体架构及可重构电路的应用中提供了思路。


图文导读


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图1范德华接触器件结构及其转移特性。(a)器件结构示意图。(b)器件的光学显微镜图像。(c)器件在不同VDS下的转移特性曲线。


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图2双极性晶体管的变温测试。(a)器件在不同温度下的转移特性曲线。(b)器件处于P型时的阿伦尼乌斯曲线。(c)器件处于N型时的阿伦尼乌斯曲线。(d)不同栅压下提取得到的等效肖特基势垒高度。其中橙色对应P型时的势垒,绿色对应N型。


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图3基于WSe2范德华接触的双半栅可重构光电二极管及其光电特性。(a)可重构光电二极管的结构示意图。上图:PIN模式。下图:NIP模式。(b)光电二极管在PIN状态时在不同入射光功率下的IDS-VDS曲线。(c)光电二极管在NIP状态下时在不同入射光功率下的IDS-VDS曲线。(d)在入射光的光功率相同时器件的PIN模式与NIP模式的IDS-VDS曲线。(e)PIN光电二极管与NIP光电二极管的短路电流与光功率关系。


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图4用于感算一体卷积图像处理的可重构光电二极管。(a)输入图像。(b)2×2可重构光电二极管阵列的内部电路示意图。(c)输出图像。(d)光电二极管在不同组态下所得到的输出图像。


作者简介


张增星,复旦大学微电子学院教授。主要从事新型半导体器件、器件物理与芯片系统集成工艺研究,在Nature Nanotech., Nano Lett., Nano Research等期刊发表论文多篇。


文章信息


Wang Y, Sun H, Sheng Z, et al. Van der Waals contacted WSe2 ambipolar transistor for in-sensor computing. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6128-6.


QQ截图20220430103511.png

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