基于ZnO/AI2O3/CdS异质结的具有应变调节突触重量的双端光电突触阵列

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

基于冯-诺依曼体系结构的计算机系统在解决结构化数学问题方面具有卓越的能力，在过去几年中经历了快速的发展。然而，物理上分离的处理器和内存单元限制了冯-诺依曼机器的计算效率。为了模仿人脑并行计算的高级特性，神经形态计算在几十年前就被提出，最近由于人工突触的出现而得到发展，人工突触模拟神经网络中的突触功能进行信息传输和处理。光电突触(Optoelectronic Synapses，OSs) 集成了光信息捕获、预处理和记忆功能以模拟视觉感知系统，已被证明是人工神经网络(ANN)的重要单元，具有带宽宽、信号传输快、互连能耗低等独特优势。

在生物神经网络中，可以通过控制神经递质的生理水平来调节相邻神经元之间的连接强度(称为突触权重)，从而实现不同的信息处理效率。为了模拟神经调控过程，开发了具有晶体管几何形状的三端器件，其中栅极电极作为额外的端子，用于施加电激励或抑制。然而，这种附加终端需要特定的互连布局，并产生较大的单元尺寸，限制了与大面积阵列配置的兼容性。一种直接的方法是构建具有突触权重调制的简单两端神经形态器件。晶体内压电势被功能化为栅极电压，以调制结区的电荷载流子产生、传输、分离和重组过程。基于非中心对称半导体(包括ZnO、GaN、ZnS和CdS)的各种两端器件在压光电效应的作用下性能得到了增强或调节。因此，利用丰富的机械刺激引入压光电效应为实现多级突触响应以及简化突触结构提供了一种新的方法。

研究成果

具有灵活调节突触重量的人工光电突触对于快速发展的人工视觉系统至关重要。尽管具有晶体管几何形状的三端器件通过在栅极端施加电脉冲表现出可控的突触响应，但复杂的器件结构限制了其与阵列配置的集成。在这项工作中，深圳大学闫培光&纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员团队提出了一种基于ZnO/Al203/CdS 异质结的具有可调突触重量的简单双端光电突触阵列。它能够以神经形态的方式响应紫外光和绿光刺激，从而实现基本的突触功能。通过引入压电光电效应，可以多级调节突触权重，使遗忘时间延长30.08%，图像识别的训练历时减少 36.13%。此外，该装置可以从大量噪声光学输入中提取目标图像，避免了几余数据记忆。这项工作提供了一种新方法，通过压电光电效应来调节简单双终端设备配置的突触权重，显示了在模仿人类视觉感知系统方面的潜在应用。相关研究以“A Two-Terminal Optoelectronic Synapses Array Based on the ZnO/Al2O3/CdS Heterojunction with Strain-Modulated Synaptic Weight”为题发表在Advanced Energy Materials期刊上。

总结与展望

综上所述，作者展示了一种基于两端 ZnO/AI2O3/CdS 异质结的两端人工OS 阵列，该阵列可在较宽的强度范围内通过紫外光和绿光刺激而得到增效。该器件的突触重量可通过压电光电效应受外部应变调制，从而提高了 PPF 指数，延长了光电流衰减时间。图像采集演示证明，利用压电光电效应可以记录、记忆和识别输入图像，并通过器件的神经形态预处理过滤元余噪声数据。该 ZAC-OS 装置提供了一种基于神经形态预处理的简单两端装置来调节突触行为的新方法，使其成为人工自适应视觉感知系统和神经形态计算的一个有前途的构件。

文献链接

A Two-Terminal Optoelectronic Synapses Array Based on the ZnO/Al2O3/CdS Heterojunction with Strain-Modulated Synaptic Weight

https://doi.org/10.1002/aelm.202201068.

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