基于光电晶体管架构的超低能耗人工光子突触器件

近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所材料界面研究中心李佳副研究员团队在新型神经突触器件研究方面取得进展，团队利用超灵敏异质结光电晶体管架构实现了超低能耗的光驱动人工突触器件。相关成果以Ultralow light-power consuming photonic synapses based on ultrasensitive perovskite/Indium-Gallium-Zinc-Oxide heterojunction phototransistors为题发表于Advanced Electronic Materials。深圳先进院材料界面中心博士后曹勇是论文第一作者，李佳副研究员是论文通讯作者。

与传统的冯诺依曼计算机系统相比，人工神经网络可以模仿人脑神经元的基本功能，以分布式、并行式以及事件驱动的方式进行高效的数据处理，是突破“冯诺伊曼瓶颈”，实现新一代人工智能计算机的重要手段。人工突出器件是神经形态计算系统的核心硬件之一。相对电子突触器件，光子突触器件借助光信号驱动实现突触功能，具有快速、高带宽、低串扰、低功耗等优点。更重要的是，光子突触器件直接对光信号进行响应和处理，可直接处理视觉、图像信息，因此可以用来模拟人类视网膜的功能。如果与其他神经元器件结合可以构成视觉神经网络，实现人工模拟的神经形态视觉系统。因此，开发新型“存算一体化”的高性能光子突触器件对实现基于光子神经网络的人工智能系统具有重要意义。

针对以上研究目标，团队在前期工作的基础上(Adv. Mater. 2021,33, 2101717；Adv. Mater. 2019, 31, 1900763), 构建了基于钙钛矿纳米晶(Nanocrystals)/铟镓锌氧化物(IGZO)异质结光电晶体管的光子突触器件。光电晶体管是一种三电极型光探测器，与二极管型光探测器相比，其沟道载流子密度可以通过栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的复合增益效应，进而对光生电流进行放大，实现超灵敏的光响应性能。在光电晶体管突触器件中，IGZO和钙钛矿分别承担沟道材料和吸光材料的角色。IGZO凭借高迁移率、低加工温度以及与现代工业制造良好的兼容性而被公认为优异的新一代高性能沟道材料。钙钛矿则具有高效的光吸收特性、高量子产率以及杰出的光学可调性。因此，这种异质结结构结合了IGZO和钙钛矿各自的优点，在光响应度、光响应灵敏度、光探测度等方面赋予光子突触器件出色的光电特性。不仅如此，异质结中的载流子陷阱可以有效诱导光电流的延迟衰减，这对于实现高性能的光驱动突触器件至关重要。基于这一器件架构，获得了巨大的光生电流信号放大，使得光探测灵敏度达到3.58×106 A/W，最低可检测光强低至nW量级。与此同时，也实现了兴奋性突触后膜电流（EPSC），双脉冲易化（PPF），和短长期记忆转换（STM-LTM）等神经突触的基本功能。更重要的是，产生有效突触后膜电流的光能耗低至2.6 pJ，这一能耗远低于大多数已报道的光能耗水平。

本研究成果为实现低光能耗的人工模拟突触光电器件提供了新思路与有效的技术路径，同时也为光子突触器件提供了超灵敏、轻量、柔性、规模化生产和低成本等众多优点，有望推动光子突触器件在视觉信息处理，图像识别和光子神经网络等方面的广阔应用。  

该工作得到了国家自然科学基金，深圳市科技计划等项目资助。

论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202100902

转自：“i学术i科研”微信公众号

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