Unlocking High-Performance, Ultra-Low Power van der Waals Photo-Transistors: Toward Back-End-of-Line in-Sensor Machine Vision Applications

材料科学 光电子学 晶体管 范德瓦尔斯力 CMOS芯片 整改 光电二极管 光刻 平版印刷术 生产线后端 纳米技术 功率(物理) 电气工程 电压 物理 工程类 电介质 量子力学 分子
作者
Olaiyan Alolaiyan,Shahad Albawardi,Sarah Alsaggaf,Thamer Tabbakh,Frank W. DelRio‬,Moh. R. Amer
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (31): 41310-41320
标识
DOI:10.1021/acsami.4c07231
摘要

Recent reports on machine learning and machine vision (MV) devices have demonstrated the potential of two-dimensional (2D) materials and devices. Yet, scalable 2D devices are being challenged by contact resistance and Fermi level pinning (FLP), power consumption, and low-cost CMOS compatible lithography processes. To enable CMOS + 2D, it is essential to find a proper lithography strategy that can fulfill these requirements. Here, we explored a modified van der Waals (vdW) deposition lithography and demonstrated a relatively new class of van der Waals field effect transistors (vdW-FETs) based on 2D materials. This lithography strategy enabled us to unlock high-performance devices evident by high current on-off ratio (Ion/Ioff), high turn-on current density (Ion), and weak FLP. We utilized this approach to demonstrate a gate-tunable near-ideal diode using a MoS2/WSe2 heterojunction with an ideality factor of ∼1.65 and current rectification of 102. We finally demonstrated a highly sensitive, scalable, and ultralow power phototransistor using a MoS2/WSe2 vdW-FET for back-end-of-line integration. Our phototransistor exhibited the highest gate-tunable photoresponsivity achieved to date for white light detection with ultralow power dissipation, enabling ultrasensitive optoelectronic applications such as in-sensor MV. Our approach showed the great potential of modified vdW deposition lithography for back-end-of-line CMOS + 2D applications.
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