综述：基于二维材料的光电存储器的研究进展

近日，香港理工大学柴扬团队结合自己开展的研究工作提出了光电存储器（Optoelectronic Random-Access Memories，ORAM ）设计思路，综述了近些年基于二维材料光电存储器的研究成果并对未来的发展方向做了展望。该综述论文以”2D Materials Based Optoelectronic Memory: Convergence of Electronic Memory and Optical Sensor” 为题发表在Research 上(Research 2019, 9490413, DOI: 10.34133/2019/9490413)。

NO.1

在过去的几十年中，摩尔定律一直驱动着计算机硬件的发展，而摩尔定律强调的尺寸缩小化已经进入了瓶颈期。在后摩尔时代，电子器件异质集成以及功能多样化则被认为是电子系统微缩化的新策略。将非计算组件（例如，传感器）和计算组件（例如存储和计算单元）集成则是实现器件功能多样化的重要的途径之一。鉴于基于图像数据的信息存储及处理在大数据中心和边缘计算中占据了大量的比重，设计及制备将光传感及数据存储处理高度集成的电子器件对于未来高能效、微缩化的电子系统以及人工智能硬件发展具有重大的意义。

光电存储器（ORAM）的设计将光传感器与电学存储器结合，通过光电共同调节，不仅有利于实现多态存储，提高数据的存储能力，同时有利于减小带宽的限制以及光电转换和传输过程中能量的损耗。另一方面，通过光输入与电输入的结合，可在单个器件上实现简单的处理功能，例如算术运算、逻辑运算、一致性检测等。除了数字存储和处理外，光电存储突触器件（ORAM synaptic devices）将光传感与基于存储器的突触器件结合，其表现出的光控调塑性可模拟人眼及人脑对于光信号的探测，存储以及更为复杂的处理功能，为进一步的实现图像探测，存储及处理的高度集成提供了可能性，也同时为高能效低能耗的人工视觉系统电路的设计及简化提供了潜力（图1，图2）。

图1 基于传统冯诺依曼体系的图像处理架构

图2 基于光控存储/突触器件的新型图像处理架构

NO.2

二维材料在传统光探测器以及电学存储器应用中表现出的突出的光学以及电学特性，例如宽带光响应、优异的光响应度、超快开关速度、栅极可调性、高开关比以及低能耗等，使得其在光电存储器/突触器件的应用中展现了巨大的潜力。该综述系统介绍了基于二维材料的光电存储器以及光电存储突触器件的设计及制备，重点关注其工作机理及其在人工神经网络方面的应用。

首先，文章介绍了二维材料及其异质结构在传统电学存储器及突触器件方面的应用，在基于传统电学器件结构设计及其调控机理的基础上，系统介绍及分析了基于二维材料及其异质结构的光电存储/突触器件的结构设计及其机理，并与基于其他材料体系的光电存储/突触器件性能进行比较，提出了二维材料在该光电存储器件应用的优势以及挑战。随后，总结了二维材料光电存储/突触器件在人工神经网络及图像识别方面的应用，重点比较了传统图像传感器与光电存储/突触器件的不同，讨论了光电存储/突触器件在基于硬件的人工视觉系统设计的优势。最后，围绕着光电存储/突触器件在神经视觉传感器方面的应用，展望了二维材料在其他神经传感器方面的应用，例如，听觉和嗅觉等，为未来更广泛的信息传感，存储以及处理的集成以及人工智能硬件设计上提供了指导方向。

NO.3

柴扬，香港理工大学应用物理系副教授，香港物理学会副主席， IEEE ED/SSC 香港分会主席，IEEE Distinguished Lecturer。主要研究方向为二维材料电子器件、新型存储器和柔性器件等。在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、IEDM、Advanced Materials、Journal of the American Chemistry Society等学术期刊以及会议上发表论文百余篇。

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