近日，复旦大学未来信息创新学院张荣君教授团队报道了一种基于垂直堆叠Bi2Se3/WSe2/WS2范德华异质结的栅极可编程光电晶体管。该器件利用两个串联且可栅极重构的界面势垒，同时实现了栅极可编程整流、反双极性输运、宽谱自供电光响应与极性可重构光电流等功能，为多功能、低功耗光电集成系统提供了新思路。相关研究成果以“Anti-Ambipolar Transistor Based on Van Der Waals Heterostructure Enables Gate-Programmable Rectification”为题，发表于《Advanced Functional Materials》。

该器件采用三层垂直堆叠结构： Bi2Se3与 WS2分别位于顶部和底部并与金电极形成漏、源接触，中间WSe2作为栅敏调制层。这一设计使得器件形成了两个串联的界面势垒（Bi2Se3/ WSe2和WSe2/ WS2）。通过背栅电压调制，器件内部能带发生重构，表现出明显的双导电峰的反双极性转移特性，并呈现出四个不同的整流区间，实现整流方向与强度的动态切换，其中两个栅极选通的强整流区整流比最高可达10⁴。器件展现出优异的光电性能，包括高响应度、高比探测率、高外量子效率及微秒级响应速度。同时，该器件在零偏压下即可工作，利用内建电场分离光生载流子，实现了从375–1050 nm的宽谱自供电探测。

图1 Bi2Se3/WSe2/WS2范德华异质结器件示意图及栅极调制的反双极性输运与整流切换

研究团队进一步演示了栅极可编程的光电流极性反转现象。在零偏压下切换栅压，器件光电流方向可在正负之间可逆切换，实现了物理层面的多值逻辑编码。基于此，团队演示了多逻辑态光电编码，成功将光信号编码为ASCII码并解码出字母。此外，利用单像素扫描成像系统，通过切换栅压即可获得对比度反转的光电流图像，展示了极性编码成像的可行性。研究团队还将实验数据与卷积神经网络（CNN）结合，在MNIST手写数字识别任务中达到97%-98%的识别准确率，展现了该器件在智能光电系统中的应用潜力。

该工作通过能带工程与界面设计，在单一范德华异质结器件中集成了栅极可编程整流、自供电宽谱探测与极性可重构光电流等功能，为开发超越传统架构的多功能光电子器件提供了新路径。

复旦大学未来信息创新学院博士生齐姣为本文第一作者，张荣君教授为通讯作者。研究工作受国家自然科学基金、上海市基础研究计划“集成电路专项”、集成芯片与系统全国重点实验室及复旦大学-中科院长春光机所联合基金等项目资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77475