多功能InGaSnO晶体管——氧空位调制的突触行为

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

金属氧化物半导体(MOS)由于其相对较高的迁移率、极低的关断电流、低温工艺和大面积的可扩展性，在光电器件的应用中具有越来越大的吸引力，例如光电探测器(PD)、光子突触(PS)和光存储器 (PM)。在可见光下，位于价带最大值以上 5 eV 的电子可以被激发到CB(导带)边缘，从而导致光电流。隙态主要是由中性氧空位 (VO) 引起的。因此，通过增加VO状态，有可能提高MOS 的光辐射率。MOS中存在持久的光传导性(PPC)。MOS 中的PPC能够保留光激发的电流，因为存在可转移的VO+状态。因此，它可以成为实现 PS和PM的一个优势，因为它消除了使用电解质离子迁移层或在栅极绝缘体 (GI) 中捕获电荷的需要。

然而，在实现光电探测器方面，PPC 可能是一个缺点。MOS 中的 PPC 会导致非常缓慢的响应，因此它需要很长的时间才能进入关闭状态。响应性 (PR) 和响应时间有一个权衡关系。

目前还没有具有MOS光电器件的显示PD和PS的多功能器件。近年来，光学神经形态器件越来越受到人们的关注。它可以以比现有的冯·诺伊曼系统少得多的能量来识别物体，可应用于可穿戴设备和便携式设备等。关于在光电器件中同时实现PD和PS行为的多功能器件的研究已经被报道。这简化了许多应用中复杂的、高度集成的电子产品。

研究成果

实现光电探测器、光合和光存储器的多功能光电器件在神经形态系统中越来越受到关注。这使得多个器件可以被单个器件取代，从而简化了复杂的、高度集成的电子设备的结构。在此韩国庆熙大学Jin Jang教授团队展示了一种多功能的 C轴对齐的晶体锡氧化物薄膜晶体管 (TFT)光电器件。通过对栅极脉冲的调整，可以证明光检测和光突触的行为。该器件对蓝光(467 nm)显示出 1.1x106 AW-1的高响应性，截止频率(f-3dB)为2400 Hz，显示出使用栅极复位脉冲的高频率开关。通过施加栅极偏压使 TFT 进入耗尽模式，就有可能利用持续的光导效应实现光突触行为。当用光脉冲和栅极电压脉冲分别实现突触重量的增效和抑制时，态增效-抑制曲线被证明分别具有 1.13 和 2.03 的优秀非线性度。当用该装置构建人工神经网络用于修改后的美国国家标准和技术研究所训练模式识别模拟时，显示出 90.4%的高模式识别精度。相关研究以“Multifunctional Crystalline InGaSnO Phototransistor Exhibiting Photosensing and Photosynaptic Behavior Using Oxygen Vacancy Engineering”为题发表在Small Methods期刊上。

图文导读

Figure 1. Comparison of electrical properties of a-IGTO and CAAC-IGTO.

Figure 2. Photoresponse of the CAAC-IGTO transistor.

Figure 3. Fast photoresponse of CAAC-IGTO phototransistor.

Figure 4. Generation and migration of VO+ in CAAC-IGTO thin film.

Figure 5. Photosynaptic characteristics of CAAC-IGTO transistor.

总结与展望

总之，作者通过调整栅极电压脉冲实现了一个多功能的 CAAC-IGTO 光电器件。通过使用栅极复位脉冲，该器件显示出卓越的光电性能，响应率为 1.1 x 106 A W-1。它显示了快速的开关响应，其f-3dB 高达 2400 Hz。在复位期，复位脉冲导致的电子快速重组是由CAAC-IGTO 层中的 VO+的迁移对负栅极偏压的贡献而实现。在光照下，VO+的迁移增加了VO+与光生电子中和的 Ea，有助于提高光响应。此外，还可以利用 PPC 效应实现具有栅极压抑脉冲的光突触特性。当用光脉冲和电门脉冲分别实现电位和抑制时，64 态的电位-抑制曲线显示的非线性分别为 1.13 和2.03，动态范围 (Gmax/Gmin) 为6.58。当通过配置ANN 的模拟进行MNIST 模式识别测试时，显示出 90.42%的高模式识别准确率因此，CAAC-IGTO 光电器件可以实现具有优异性能的光电探测器和光合器。这可以为光学神经形态系统的发展做出杰出的贡献。

文献链接

Multifunctional Crystalline InGaSnO Phototransistor Exhibiting Photosensing and Photosynaptic Behavior Using Oxygen Vacancy Engineering

https://doi.org/10.1002/smtd.202300251

转自：“i学术i科研”微信公众号

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