【期刊】InfoMat编辑推荐 | 晶体管

基于场效应晶体管的触觉传感器

Field effect transistor-based tactile sensors: From sensor configurations to advanced applications

Jian Wang, Shuyan Xu, Congcong Zhang*, Ailing Yin, Mingyuan Sun, Hongru Yang, Chenguo Hu*, Hong Liu*

济南大学刘宏（Hong Liu）教授、张丛丛（Congcong Zhang）副教授联合重庆大学胡陈果（Chenguo Hu）教授团队，从器件结构的角度对基于场效应晶体管（FET）的触觉传感器进行了系统的总结。首先，介绍了FET的基本概念和内在特征，特别是FET器件在实现触觉传感方面的作用及意义。然后，针对具有代表性的范例，总结了不同FET元件下的各种触觉传感器的构建策略和性能改进方案。包括：(1)优化栅电极，通过与压电材料或摩擦电材料耦合，构建高灵敏度的压力传感器；(2)精心选择/设计介电材料/结构，以改善电容式触觉传感器的性能；(3)选择新的半导体材料，并利用其压阻性或压电性来改善机械传感性能；（4）合理设计源/漏极微结构以改变在力作用下的载流子传输特性。随后，讨论了FET传感阵列的先进力学和时空分辨系统。最后，概括了FET触觉传感器在电子皮肤、人机交互、可穿戴智能检测以及人工神经系统领域的最新发展，以及对各领域的未来发展方向进行了展望。

二维场效应晶体管生物传感器

Fast and direct identification of SARS-CoV-2 variants via 2D InSe field-effect transistors

Duo Xu, Junji Li, Yunhai Xiong, Han Li, Jialin Yang, Wenqiang Liu, Lianfu Jiang, Kairui Qu, Tong Zhao, Xinyu Shi, Shengli Zhang, Dan Shan, Xiang Chen*, Haibo Zeng*

南京理工大学曾海波（Haibo Zeng）、陈翔（Xiang Chen）教授团队探索和研究了基于二维硒化铟（2D InSe）场效应晶体管（FET）生物传感器对SARS-CoV-2变异核酸序列的识别能力。该器件对目标核酸实现了亚飞摩尔级（sub-fM）的检测限，浓度线性响应范围达到6个数量级（10^-14~10^-8 M）。其次，器件可以在15分钟内识别出单核苷酸变异（SNVs）的类型与位置（p < 0.01），从而直接快速分辨出Delta基因组中的两个核心突变（L452R, R203M）。该研究实现了病毒检测、变异诊断与预警的一体式传感，对后疫情时代各类高传染、易突变病毒的早期筛查具有重要的意义。

二维Memtransistors

Low operating voltage memtransistors based on ion bombarded p-type GeSe nanosheets for artificial synapse applications

Jing Wang, Dong He, Rui Chen, Hang Xu, Hongbo Wang, Menghua Yang, Qi Zhang, Changzhong Jiang, Wenqing Li*, Xiaoping Ouyang*, Xiangheng Xiao*

武汉大学肖湘衡（Xiangheng Xiao）教授、李文庆（Wenqing Li）教授联合西北核技术研究所欧阳晓平（Xiaoping Ouyang）院士团队开发了一种基于p-GeSe纳米片的横向memtransistor。利用低能离子辐照制备了一种可调制界面势垒高度的三端GeSe memtransistor，该晶体管具有低工作电压。p-GeSe基memtransistor可以 成功模拟生物突触，包括神经可塑性功能，如短期可塑性、长期可塑性、成对脉冲促进性和尖峰时间依赖性可塑性。通过实验结果和理论计算验证了界面调制的机理。结果表明，利用低能离子辐照调制二维GeSe纳米片的界面，实现横向memtransistor是可行的。这可能为基于2D分层材料的人工神经形态系统应用提供有前途的机会。

二维浮栅晶体管

Tailoring lithium intercalation pathway in 2D van der Waals heterostructure for high-speed edge-contacted floating-gate transistor and artificial synapses

Jun Yu, Jiawei Fu, Hongcheng Ruan, Han Wang, Yimeng Yu, Jinpeng Wang, Yuhui He, Jinsong Wu, Fuwei Zhuge*, Ying Ma*, Tianyou Zhai*

通过锂嵌入在过渡金属硫化物 （TMDC） 中实现局部相变，从而能够在二维 （2D） 电子设备中制造高质量的接触界面。然而，由于锂离子在异质界面中的随机扩散，在垂直堆叠的范德华异质结构（vdWHs）中难以控制锂的嵌入。

华中科技大学翟天佑（Tianyou Zhai）教授团队提出了一种采用表面渗透辅助嵌入锂的策略，有效封闭所有边缘以限制锂在vdWHs中的嵌入途径，并设计了高性能的边缘接触MoS₂ vdWHs浮栅晶体管。该方法促进了从顶面插层的锂，得到的 MoS2浮栅晶体管具有更好的接口质量，并显著降低了亚阈值摆幅（SS，从600降低到100 mV dec^–1）。此外，还展示了超快的编程/擦除性能以及出色的32 种内存状态。通过控制2D vdWH中锂嵌入途径的研究为用于内存和神经形态计算目的的高性能 2D电子设备提供了一条可行的途径。

二维浮栅神经形态光电晶体管

Programmable van-der-Waals heterostructure-enabled optoelectronic synaptic floating-gate transistors with ultra-low energy consumption

Yilin Sun, Mingjie Li, Yingtao Ding*, Huaipeng Wang, Han Wang, Zhiming Chen, Dan Xie*

北京理工大学丁英涛（Yingtao Ding）副教授与清华大学谢丹（Dan Xie）副教授合作，研制了基于石墨烯/h-BN/MoS₂范德华异质结的浮栅型神经形态光电晶体管，实现了高达105的写入、擦除比以及上千次的循环擦写，揭示了载流子在范德华异质结中的隧穿机制。

碳纳米管单片三维集成晶体管

Monolithic three-dimensional integration of aligned carbon nanotube transistors for high-performance integrated circuits

Chenwei Fan, Xiaohan Cheng, Lin Xu, Maguang Zhu, Sujuan Ding, Chuanhong Jin, Yunong Xie, Lian-Mao Peng, Zhiyong Zhang*

北京大学张志勇（Zhiyong Zhang）教授团队开发了面向高性能电路的碳纳米管单片三维集成层间工艺，实现了层间介质表面高质量阵列碳纳米管的制备，展示了高性能单片三维叠层晶体管与高速三维集成电路。通过对阵列碳纳米管单片三维集成关键工艺进行深入研究，利用具有自发平坦化的旋涂玻璃硅介质SOG实现了高质量层间介质的制备。层间介质SOG拥有小于3的相对介电常数，并且具有超高的均一性与稳定性，满足了高速多层互联对于层间介质的low-k要求（图1C）。层间介质SOG将底层晶体管结构引起的表面起伏高度相较于CVD沉积氧化硅降低90%，形成了非保形特性的表面形貌，表面粗糙度小于0.5纳米，远小于碳纳米管直径，有利于碳纳米管材料在层间介质表面的制备和细粒度(fine-grain)的晶体管垂直集成。基于该工艺基础，实现了碳纳米管顶栅晶体管的单片三维集成，200纳米栅长的晶体管结构层间对准精度小于20纳米。

电化学晶体管

Pulse electrochemical synaptic transistor for supersensitive and ultrafast biosensors

Jianlong Ji, Zhenxing Wang, Fan Zhang, Bin Wang, Yan Niu, Xiaoning Jiang, Zeng-ying Qiao, Tian-ling Ren, Wendong Zhang, Shengbo Sang*, Zhengdong Cheng*, Qijun Sun*

太原理工桑胜波（Shengbo Sang）教授、浙江大学成正东（Zhengdong Cheng）教授和北京纳米能源所孙其君（Qijun Sun）教授团队提出了一种用于超灵敏和超快生物传感器的脉冲驱动突触电化学晶体管（ECT）。基于突触电位的pH传感器可以实现创纪录的高灵敏度，最高可达124 mV pH^-1（几乎是Nernstian极限59.2 mV pH^-1的两倍），超快响应时间低至8.75 ms（比恒电位传感器快7169倍，62.73 s）。所提出的突触传感策略可以有效消除pH传感器校准过程中的跨导波动问题，显著降低功耗。此外，通过一系列详细的数学推导，计算出VG,i的最灵敏工作点，这对提供具有准无波动放大能力的更高灵敏度具有重要意义。该工作提出的电化学突触晶体管与优化的操作栅极配对为高性能生物传感器的标准化和商业化提供了新的范例。