文章導(dǎo)讀

國際ZM學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》（ACS 旗下納米科技期刊《納米快報(bào)》）在線發(fā)表了關(guān)于COT（晶體軸對(duì)齊氧插值晶體管）的突破性研究成果。該研究創(chuàng)新性地在單一器件中集成偏振傳感、光電流存儲(chǔ)與光電邏輯功能，為下一代高速低功耗傳感 - 存儲(chǔ) - 計(jì)算一體化系統(tǒng)提供了全新技術(shù)路徑。

在這項(xiàng)科研工作中，客戶團(tuán)隊(duì)選用了CIF公司提供的旋涂設(shè)備SC1，為實(shí)驗(yàn)樣品的制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支持！

在智能傳感、自動(dòng)駕駛等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中，傳統(tǒng)系統(tǒng)依賴物理分離的傳感、存儲(chǔ)與計(jì)算單元，海量原始數(shù)據(jù)的跨單元傳輸導(dǎo)致 latency、帶寬和功耗居高不下。雖有近傳感計(jì)算、存內(nèi)計(jì)算等 “二合一" 架構(gòu)問世，但多依賴異質(zhì)集成技術(shù)，受限于材料體系、器件結(jié)構(gòu)差異，難以實(shí)現(xiàn)高密度兼容集成。開發(fā)單一物理單元內(nèi)嵌多功能的器件，成為突破傳統(tǒng)架構(gòu)瓶頸的關(guān)鍵方向。

針對(duì)二維材料異質(zhì)結(jié)器件制備的嚴(yán)苛工藝要求，CIF公司的旋涂設(shè)備發(fā)揮了不可替代的支撐作用，為器件核心結(jié)構(gòu)制備保駕護(hù)航：

  1.高精度旋涂，筑牢結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：精準(zhǔn)控制 PdSe?接觸層、ReS?溝道層及氧插層等關(guān)鍵薄膜制備，確保各層厚度均勻、表面平整，為原子級(jí)潔凈范德華界面和晶體軸精準(zhǔn)取向堆疊提供工藝保障。

  2.穩(wěn)定適配，提升制備成功率：憑借優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性和參數(shù)可調(diào)性，匹配二維各向異性材料制備需求，減少工藝波動(dòng)引發(fā)的薄膜缺陷，保障氧插層均勻受限分布，夯實(shí)電荷捕獲存儲(chǔ)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

  3.兼容集成，貼合產(chǎn)業(yè)化趨勢：設(shè)備工藝與先進(jìn)器件集成流程高度適配，契合 “單一器件多功能" 架構(gòu)理念，為技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用提供工藝可行性支撐。

研究成果

   研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)COT（晶體軸對(duì)齊氧插值晶體管），核心成果如下：采用 PdSe?與ReS?晶體軸對(duì)齊堆疊及范德華接觸，實(shí)現(xiàn)8.4高偏振比，響應(yīng)度達(dá)5.2×10? A?W?1、比探測率達(dá) 7.8×101? cm?Hz1/2?W?1，性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)探測器；引入 2.5 nm 氧插層，實(shí)現(xiàn)33個(gè)線性存儲(chǔ)態(tài)，數(shù)據(jù)保持時(shí)間達(dá) 6×10? s（ extrapolate 后可達(dá) 10 年），18個(gè)月環(huán)境存儲(chǔ)性能穩(wěn)定；基于高偏振敏感性，以偏振光為輸入實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)可重構(gòu)光電邏輯門（914 nm下AND邏輯、375nm下OR邏輯），單操作能耗低至 0.5-5 pJ；器件集成傳感、存儲(chǔ)、計(jì)算功能，為高密度一體化芯片研發(fā)提供通用框架。

原文圖像

圖1. COT器件的結(jié)構(gòu)與表征。(a) 器件制備流程示意圖。采用各向異性PdSe?（準(zhǔn)金屬性，禁帶寬度≈0.16 eV）作為源/漏電極，各向異性ReS?（半導(dǎo)體性，禁帶寬度≈1.5 eV）作為溝道。氧分子預(yù)吸附于ReS?表面并在堆疊過程中被限制，形成界面O?層。PdSe??ReS?沿晶體軸（b軸）對(duì)齊堆疊以實(shí)現(xiàn)高偏振比；范德華接觸確保了器件的高性能；限域O?層作為電荷捕獲層實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。(b) PdSe?/ReS?/O?結(jié)構(gòu)的橫截面原子分辨率圖像，可觀察到厚度約2.5 nm的O?插層。(c) PdSe??ReS?接觸區(qū)放大圖像，呈現(xiàn)潔凈的范德華界面。元素分布圖證實(shí)了其組成與分布。(d) COT器件的光學(xué)圖像。由于本征各向異性解理特性，PdSe?和ReS?均呈現(xiàn)條狀形貌，且其堆疊沿b軸精確排列。(e) COT器件在不同工作模式（傳感、存儲(chǔ)、邏輯）下的示意性能帶圖。

圖2. 光響應(yīng)與存儲(chǔ)性能。(a) 暗態(tài)及不同功率激光照射下COT器件的轉(zhuǎn)移特性曲線（I_ds?V_gs）。(b) 響應(yīng)度R隨柵壓V_gs和入射光功率P_light的變化關(guān)系，最大值達(dá)5×10? A/W。(c) 下圖左軸：不同柵壓下測得的噪聲電流；上圖右軸：計(jì)算得到的比探測率D*，最高達(dá)7.8 × 101? cm Hz^1/2W^?1。(d) 線偏振光寫入（LP-writing）和圓偏振光擦除（GP-erasing）操作下的I_ds?V_gs特性曲線。(e) 光電流的長期保持特性，測試期間包含WQ斷電間隔。插圖為外推的保持時(shí)間，表明10年后仍有約60%的光電流留存。(f) 線偏振光寫入與圓偏振光擦除的可重復(fù)循環(huán)操作。(g) 多級(jí)存儲(chǔ)特性。此處共獲得33個(gè)分立的存儲(chǔ)態(tài)，讀出電流均勻遞增。插圖為線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)（斜率7.78 nC/態(tài)），證實(shí)了高度線性的多級(jí)存儲(chǔ)行為。(h) 長期穩(wěn)定性，在環(huán)境存儲(chǔ)18個(gè)月后性能保持穩(wěn)定。

圖3. 晶體軸對(duì)齊與偏振分辨光響應(yīng)。上圖：PdSe? (a)、ReS? (b)及其對(duì)齊異質(zhì)結(jié)構(gòu)(c)的原子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)晶軸示意圖。下圖：PdSe?、ReS?及其對(duì)齊異質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度依賴?yán)庾V圖。各單層中觀測到的拉曼增強(qiáng)峰在PdSe?/ReS?結(jié)構(gòu)中同樣出現(xiàn)，證實(shí)了晶體軸對(duì)齊操作的成功。(d) 提取的偏振比隨PdSe?/ReS?異質(zhì)結(jié)中相對(duì)b軸夾角(α)的變化關(guān)系。僅當(dāng)兩者的b軸平行時(shí)(α = 180°)偏振比達(dá)到最大，凸顯了晶體軸對(duì)齊的重要性。(e) 660 nm激光不同偏振態(tài)照射下器件的讀出電流與存儲(chǔ)特性。(f) 不同波長(375, 532, 808, 914 nm)下偏振依賴光電流隨入射角的變化。(g) 偏振依賴光電流的3D統(tǒng)計(jì)圖，展示了COT器件的寬帶偏振分辨能力。V1?V4代表PdSe?的主要拉曼峰；N1?N4代表ReS?的主要拉曼峰。

 圖4. 基于COT器件的可重構(gòu)光電邏輯門。(a) 單器件邏輯門結(jié)構(gòu)示意圖，其中兩束偏振方向垂直（⊥，邏輯“0"）和平行（∥，邏輯“1"）的偏振光作為邏輯輸入(p, q)，源漏電流(S)作為邏輯輸出。(b) 可重構(gòu)邏輯門的工作原理示意圖。通過使用不同波長的偏振光實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的光電邏輯門：914 nm光實(shí)現(xiàn)AND功能，375 nm光實(shí)現(xiàn)OR功能。此處，每次邏輯操作前均施加80 V的復(fù)位柵壓脈沖。(c) 914 nm垂直與平行偏振光照射下的AND邏輯操作演示，以I_ds作為邏輯輸出，V_gs作為存儲(chǔ)復(fù)位控制端。采用0.225 nA的閾值電流(I_th)區(qū)分邏輯狀態(tài)“0"和“1"。(d) 375 nm垂直與平行偏振光照射下的OR邏輯操作演示，以Ids作為邏輯輸出，采用1.25 μA的閾值電流(I_th)區(qū)分邏輯狀態(tài)“0"和“1"。每次邏輯操作前均施加80 V的復(fù)位柵壓脈沖。波長依賴的可重構(gòu)邏輯門源于COT器件的波長依賴光電流特性。

此次客戶團(tuán)隊(duì)的研究成果榮登國際期刊，是二維材料多功能器件領(lǐng)域的重要突破。

未來，CIF將持續(xù)深耕GD實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)，不斷適配前沿技術(shù)發(fā)展需求，與全球科研工作者攜手，在智能傳感、半導(dǎo)體集成等領(lǐng)域探索更多可能，助力更多創(chuàng)新性成果落地轉(zhuǎn)化，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。