北京理工大学丁英涛副教授、清华大学谢丹副教授InfoMat：可编程二维范德华异质结浮栅型神经形态光电晶体管

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摘  要

北京理工大学丁英涛副教授与清华大学谢丹副教授合作，研制了基于石墨烯/h-BN/MoS₂范德华异质结的浮栅型神经形态光电晶体管，实现了高达10⁵的写入、擦除比以及上千次的循环擦写，揭示了载流子在范德华异质结中的隧穿机制。

文章简介

近年来，受到生物体神经网络高效、并行信息处理方式的启发，研究人员成功设计、制备了多种神经形态信息器件来模拟生物体突触的各种功能，实现了神经形态的信息处理方式。其中，神经形态光电器件将光敏特性与突触可塑性相融合，克服了神经形态电突触器件在带宽、串扰以及速度方面的缺陷，尤其是补充了其在神经形态传感方面的短板，丰富了神经形态信息器件的功能多样化。然而，目前的神经形态光电器件仍存在以下几个问题：一是物理机制不完善：大部分器件依赖于界面或材料内部缺陷对光生载流子的捕获和释放机制，具有随机性和不可控性；二是功能实现单一：大部分研究工作集中在对可塑性的模拟上，而可塑性调控是生物体神经网络实现功能必不可少的一个环节，目前在器件层面的研究较少；三是低功耗器件的理论和实验工作匮乏：低功耗也是神经网络一个非常重要的优势，虽然这个优势是体现在大规模网络并行计算中，但是从单一器件层面降低功耗对实现整体网络的低功耗同样具有重要意义。目前针对上述问题，从底层关键材料、器件结构设计以及功能动态调控等方面开展神经形态信息器件的研究工作为从硬件层面发展神经形态信息技术提供了理论基础和技术支持。

自2004年石墨烯问世以来，二维材料家族得到了巨大的丰富和扩展，涵盖了半导体、绝缘体以及金属等微电子技术领域所需的核心材料。同时，二维材料与传统体材料相比，展现出了独特的物理、化学特性，如超高的载流子迁移率、杰出的机械强度以及厚度可调的带隙结构等。此外，二维材料层与层之间通过范德华力结合在一起，可以通过物理转移技术构建范德华异质结，有助于通过结构设计实现在单一器件结构中集成多功能的微纳电子器件，尤其是在神经形态信息器件领域具有巨大潜力。

近日，北京理工大学集成电路与电子学院丁英涛副教授与清华大学集成电路学院谢丹副教授合作，研制了基于石墨烯/h-BN/MoS₂范德华异质结的浮栅型神经形态光电晶体管，实现了高达10⁵的写入、擦除比以及上千次的循环擦写，揭示了载流子在范德华异质结中的隧穿机制。进一步利用范德华异质结浮栅型结构中光生载流子的有效俘获和释放，实现了以光存储特性为基础的光敏突触可塑性，包括短程可塑性、长程可塑性以及对脉冲易化特性。特别地，通过预先对浮栅结构进行编程或擦除操作使其置于低阻态或高阻态，在不同阻态下，器件表现出不同的突触功能，即功能型突触（高阻态）和沉默型突触（低阻态），实现了通过预先编程信号来调控器件可塑性的表达。最后，根据浮栅型器件载流子隧穿机制，编程操作使器件处于高阻态，抑制暗坏境下的噪声电流，在低操作电压和较弱光的刺激下，也可以得到明显的后突触电流，由此实现了极低的器件能耗。

1.非挥发性存储特性

图1. (A)基于石墨烯/h-BN/MOS₂范德华异质结的浮栅型光电突触晶体管结构示意图；(B)滞回特性；(C)存储窗口随背栅电压扫描范围的变化情况；(D)保持性能；（E-F）耐久性能。

在背栅电压扫描范围|Vbgmax|=40V时可获得存储窗口达27.8V，在非挥发性保持特性和耐久特性测试中，实现了高达10⁵的写入、擦除比和上千次耐擦写循环。实验结果表明，制备的浮栅型光电突触晶体管中，载流子在范德华异质结构中的隧穿过程受到背栅脉冲电压有效、稳定、可靠的调控，使器件具有良好的非挥发性存储特性。

2.光致存储特性

图2.（A）光电存储行为；（B-C）编程操作后，基于能带结构分析的载流子隧穿机制示意图；（D）生物视网膜与突触结构示意图以及与石墨烯/h-BN/MOS₂浮栅晶体管之间的类比。

黑暗环境下施加背栅控制电压将浮栅晶体管置于编程状态，外加光刺激后，观测到明显光电流，阈值电压左移，而撤去光照后，阈值电压略有右移，表明大部分光生载流子仍存储在MoS₂沟道中，再次施加编程电压，器件沟道电导值恢复如初，因而实现了可擦除的非易失性光电响应特性。基于光生载流子在范德华浮栅结构中的动力学过程，研究人员将光脉冲信号作为前突触刺激，沟道电流作为后突触电流，从而模拟类生物体突触的可塑性。

3.突触可塑性的模拟与调控

图3.（A）在间隔△t的两次光脉冲刺激下，突触器件的PSC；（B）不同光脉冲间隔时间的PPF index；（C-H）不同脉冲频率、光照强度、脉冲宽度、脉冲数量的光照刺激产生后突触电流响应情况；（I）光脉冲增强、电脉冲抑制的沟道电导值。

在栅极编程电压的作用下，突触器件能够表现出功能型与沉默型两种突触行为以及二者之间的可控转化，功能型突触具有在光调控下模拟生物体STP、LTP及PPF等突触可塑性的功能，在不同外界光刺激信号下能够做出有效动态响应，体现了该突触器件在模拟复杂神经形态计算与信息处理领域中的巨大潜力。

4.与生物体突触行为可比拟的超低功耗

图4.（A）光敏突触器件实现最低功耗时的PSC值；（B）编程状态下被抑制的暗电流；（C）不同源漏电压测得的器件功耗；（D）持续时间不同的光脉冲刺激产生不同器件功耗。

由突触晶体管实现的单个突触事件能耗随源漏电压和光脉冲持续时间的增大而增加，所得到的器件功耗（~2.52 fJ）与生物体神经系统中由单个突触事件引起的信息传递过程能量损耗（约为10fJ）可比拟。得益于编程状态对暗电流的抑制作用，该器件能耗在现有光电突触器件中表现突出。

5.应用于手写字符体识别任务的神经网络

图5.（A）基于光电突触器件的两层人工神经网络示意图；（B）在光、电脉冲刺激下，浮栅晶体管的归一化电导值的变化情况；（C）神经网络应用于手写字符体识别任务的准确率。

研究人员进一步构建了两层神经网络模型并将器件随脉冲次数变化的电导特性作为权重更新规则映射到所建立的网络模型中，针对手写数字图像实现了高达92%的准确率，证明了所制备器件在未来神经形态技术领域的应用前景。

作者简介

丁英涛  副教授

北京理工大学

丁英涛，北京理工大学集成电路与电子学院副教授，博士生导师。主要从事后摩尔时代新型微纳电子器件和三维异质异构集成系统等研究工作。在Advanced Functional Materia、Nanophotonics 、Optics Express等国内外学术期刊上发表SCI论文50余篇。主持国家自然科学基金项目，担任Advanced Functional Materials、 Laser & Photonics Reviews、Optical Materials Express等国内外知名期刊审稿人。

谢丹 副研究员

清华大学

谢丹，清华大学集成电路学院副研究员，博士生导师。主要从事新型微纳电子关键材料、器件与系统研究工作。近年来，先后参加和承担国家重点研发计划“纳米专项”、国家自然科学基金重点和面上项目、863计划、科技部国际合作项目以及重大专项等项目的研究工作。在Nature Nanotechnology、Nature communications、Advanced Materials以及ACS Nano等国内外学术期刊及会议上发表SCI论文200余篇，获得国家发明专利20余项。曾获得“第十届霍英东教育基金会高等院校青年教师资助”，教育部“新世纪优秀人才支持计划”，清华大学“学术新人奖”。

孙翊淋 博士后

北京理工大学

孙翊淋，北京理工大学集成电路与电子学院特立博士后，2020年入选中国博士后基金会博士后创新人才支持计划。主要从事基于低维纳米材料的新型微纳电子器件与系统的研究工作。承担国家自然科学基金青年基金项目和中国博士后基金面上资助一等。在Nature Nanotechnology、Nature communications、Advanced Materials以及Advanced Functional Materials等国内外学术期刊上发表SCI论文50余篇。担任Materials Horizons, Nanomaterials, IEEE Electron Device Letters等国际知名期刊的独立审稿人以及Chemosensors的客座编辑。

论文信息

Programmable van-der-Waals heterostructure-enabled optoelectronic synaptic floating-gate transistors with ultra-low energy consumption

Yilin Sun, Mingjie Li, Yingtao Ding*, Huaipeng Wang, Han Wang, Zhiming Chen, Dan Xie*

DOI: 10.1002/inf2.12317

Citation: InfoMat, 2022, e12317

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关于InfoMat

《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

● 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

● 中科院分区工程技术大类1区Top期刊

● 影响因子：25.405

● 国产OA月刊

● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：[e-mail]

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