近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院材料所材料界面研究中心李佳副研究員團隊在新型神經(jīng)突觸器件研究方面取得進展，團隊利用超靈敏異質(zhì)結(jié)光電晶體管架構(gòu)實現(xiàn)了超低能耗的光驅(qū)動人工突觸器件。相關(guān)成果以Ultralow light-power consuming photonic synapses based on ultrasensitive perovskite/Indium-Gallium-Zinc-Oxide heterojunction phototransistors為題發(fā)表于Advanced Electronic Materials。深圳先進院材料界面中心博士后曹勇是論文第一作者，李佳副研究員是論文通訊作者。

與傳統(tǒng)的馮諾依曼計算機系統(tǒng)相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模仿人腦神經(jīng)元的基本功能，以分布式、并行式以及事件驅(qū)動的方式進行高效的數(shù)據(jù)處理，是突破“馮諾伊曼瓶頸”，實現(xiàn)新一代人工智能計算機的重要手段。人工突出器件是神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的核心硬件之一。相對電子突觸器件，光子突觸器件借助光信號驅(qū)動實現(xiàn)突觸功能，具有快速、高帶寬、低串擾、低功耗等優(yōu)點。更重要的是，光子突觸器件直接對光信號進行響應(yīng)和處理，可直接處理視覺、圖像信息，因此可以用來模擬人類視網(wǎng)膜的功能。如果與其他神經(jīng)元器件結(jié)合可以構(gòu)成視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)人工模擬的神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)。因此，開發(fā)新型“存算一體化”的高性能光子突觸器件對實現(xiàn)基于光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能系統(tǒng)具有重要意義。

針對以上研究目標，團隊在前期工作的基礎(chǔ)上（Adv. Mater. 2021,33, 2101717；Adv. Mater. 2019, 31, 1900763）, 構(gòu)建了基于鈣鈦礦納米晶（Nanocrystals）/銦鎵鋅氧化物（IGZO）異質(zhì)結(jié)光電晶體管的光子突觸器件。光電晶體管是一種三電極型光探測器，與二極管型光探測器相比，其溝道載流子密度可以通過柵壓和入射光子進行有效調(diào)制，從而結(jié)合了晶體管和光電導(dǎo)的復(fù)合增益效應(yīng)，進而對光生電流進行放大，實現(xiàn)超靈敏的光響應(yīng)性能。在光電晶體管突觸器件中，IGZO和鈣鈦礦分別承擔(dān)溝道材料和吸光材料的角色。IGZO憑借高遷移率、低加工溫度以及與現(xiàn)代工業(yè)制造良好的兼容性而被公認為優(yōu)異的新一代高性能溝道材料。鈣鈦礦則具有高效的光吸收特性、高量子產(chǎn)率以及杰出的光學(xué)可調(diào)性。因此，這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)合了IGZO和鈣鈦礦各自的優(yōu)點，在光響應(yīng)度、光響應(yīng)靈敏度、光探測度等方面賦予光子突觸器件出色的光電特性。

不僅如此，異質(zhì)結(jié)中的載流子陷阱可以有效誘導(dǎo)光電流的延遲衰減，這對于實現(xiàn)高性能的光驅(qū)動突觸器件至關(guān)重要。基于這一器件架構(gòu)，獲得了巨大的光生電流信號放大，使得光探測靈敏度達到3.58×10? A/W，最低可檢測光強低至nW量級。與此同時，也實現(xiàn)了興奮性突觸后膜電流（EPSC），雙脈沖易化（PPF），和短長期記憶轉(zhuǎn)換（STM-LTM）等神經(jīng)突觸的基本功能。更重要的是，產(chǎn)生有效突觸后膜電流的光能耗低至2.6 pJ，這一能耗遠低于大多數(shù)已報道的光能耗水平。

圖：(a)鈣鈦礦/IGZO異質(zhì)結(jié)型光電晶體管光驅(qū)動人工突觸器件結(jié)構(gòu)；(b) 鈣鈦礦/IGZO異質(zhì)結(jié)型光電晶體管光驅(qū)動人工突觸器件工作示意圖

本研究成果為實現(xiàn)低光能耗的人工模擬突觸光電器件提供了新思路與有效的技術(shù)路徑，同時也為光子突觸器件提供了超靈敏、輕量、柔性、規(guī)模化生產(chǎn)和低成本等眾多優(yōu)點，有望推動光子突觸器件在視覺信息處理，圖像識別和光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的廣闊應(yīng)用。

審核編輯：劉清