近日，中国科学技术大学微电子学院孙海定教授和左成杰教授课题组在光电神经突触器件领域取得重要进展。受四色视觉系统的启发，研究团队报告了一种塑性可调控的宽光谱四色神经形态视觉突触器件。这种器件基于二维过渡金属硫族化合物和块状体材氮化镓（GaN）垂直堆叠而成的双通道浮栅晶体管架构，在电和光刺激的协同作用下，该器件成功地模拟了四色突触的基本行为。该成果以“Broadband Artificial Tetrachromatic Synaptic Devices Composed of 2D/3D Integrated WSe₂-GaN-based Dual-Channel Floating Gate Transistors”为题，发表在国际学术期刊《先进功能材料》上。
具有低能耗特性的浮栅突触器件能够集成光学探测、处理和记忆的功能，满足计算机视觉系统的基本要求。随着技术的进步，人们对光敏突触器件的需求正在向更广泛的光谱范围扩展。然而，二维材料因其窄带隙而难以拓宽至紫外光区域的光电响应。因此，将二维材料与宽禁带半导体材料相结合构建新的器件设计，有望能够解决这一问题。
图1 塑性可调控的宽光谱人工突触器件
针对上述挑战，该研究团队制备了垂直堆垛的异质结浮栅结构，异质结浮栅器件自上而下的层叠结构为：石墨烯、六方晶格氮化硼（h-BN）、二硒化钨（WSe₂）和GaN（图1），其中WSe₂直接与GaN衬底接触，形成双通道结构。GaN的禁带宽度较宽，对紫外光敏感。而WSe₂的禁带宽度较窄，对可见光敏感。该团队提出了一种光电协同作用的新机理。在可见光和电的协同刺激条件下，WSe₂通道中产生了较多的光生电子载流子。较多的电子载流子堆积在WSe₂通道中，这产生了电子往石墨烯扩散并隧穿的势能，使得器件表现的存储特性为弱易失性。然而在紫外光和电的协同刺激条件下，GaN和WSe₂双通道都被激活，这导致两个通道内产生了大量的光生电子载流子并隧穿至石墨烯中，使得器件表现的存储特性为非易失性。值得注意的是，该器件的可塑性可以在紫外光刺激下进一步调制，即利用GaN在紫外光照射下产生大量光生载流子的能力，从而实现了器件从短期可塑性到长期可塑性的过渡。该团队利用该器件的特性来模拟人工视觉感知系统，标准数据集图像的识别结果在紫外光电刺激下高达96.6%的识别准确率，这展示了该视觉感知系统对紫外光信息表现为长期存储特性。这项工作为2D/3D集成的浮栅晶体管架构提供了可选择的新路径，也在人工视觉感知系统方面展现了巨大潜力。
微电子学院博士毕业生苏子佳为论文第一作者，孙海定教授和左成杰教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目的资助，也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316802
