Cascaded Logic Gates Based on High-Performance Ambipolar Dual-Gate WSe2 Thin Film Transistors

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作者
Xintong Li,Peng Zhou,Xuan Hu,Ethan Rivers,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Deji Akinwande,Joseph S. Friedman,Jean Anne C. Incorvia
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (13): 12798-12808 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c03932
摘要

Ambipolar dual-gate transistors based on low-dimensional materials, such as graphene, carbon nanotubes, black phosphorus, and certain transition metal dichalcogenides (TMDs), enable reconfigurable logic circuits with a suppressed off-state current. These circuits achieve the same logical output as complementary metal–oxide semiconductor (CMOS) with fewer transistors and offer greater flexibility in design. The primary challenge lies in the cascadability and power consumption of these logic gates with static CMOS-like connections. In this article, high-performance ambipolar dual-gate transistors based on tungsten diselenide (WSe2) are fabricated. A high on–off ratio of 108 and 106, a low off-state current of 100 to 300 fA, a negligible hysteresis, and an ideal subthreshold swing of 62 and 63 mV/dec are measured in the p- and n-type transport, respectively. We demonstrate cascadable and cascaded logic gates using ambipolar TMD transistors with minimal static power consumption, including inverters, XOR, NAND, NOR, and buffers made by cascaded inverters. A thorough study of both the control gate and the polarity gate behavior is conducted. The noise margin of the logic gates is measured and analyzed. The large noise margin enables the implementation of VT-drop circuits, a type of logic with reduced transistor number and simplified circuit design. Finally, the speed performance of the VT-drop and other circuits built by dual-gate devices is qualitatively analyzed. This work makes advancements in the field of ambipolar dual-gate TMD transistors, showing their potential for low-power, high-speed, and more flexible logic circuits.
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