基于非晶GaOx介电层的多功能垂直体异质结晶体管实现神经形态感知—决策一体化

《Advanced Science》：Multifunctional Vertical Bulk-Heterojunction Transistors With Amorphous GaOx for Neuromorphic Perception-to-Decision

　　

多功能神经形态硬件已成为超越传统冯·诺依曼架构中传感、记忆与计算物理分离的有前景范式。核心挑战在于开发具有高功能密度的集成器件，以实现传感、记忆与计算的原位融合。在此，研究人员提出一种基于非晶GaO_x介电层的多功能垂直体异质结晶体管（MVBT），在单一器件内集成四类功能：深紫外（DUV）光电探测、阈值神经元放电、宽带光电突触功能以及可重构逻辑门。在两端（栅—源）模式中，非晶氧化镓（a-GaO_x）的紫外选择性光响应与电化学反应分别实现深紫外光电探测和神经元放电。在三端模式中，有机体异质结活性层支持从紫外到近红外波长的宽带光电突触功能。不对称界面载流子注入势垒进一步实现偏压可重构的AND/OR逻辑功能。此外，像素化MVBT阵列展示了双模式图像传感与视觉预处理。基于这些多功能能力，一个基于MVBT的卷积脉冲神经网络（CSNN）混合仿真架构实现了97.4%的指纹识别准确率。该工作为构建集成传感、记忆、计算与决策的高功能密度神经形态硬件提供了新策略。

该论文发表于《Advanced Science》，作者Jinkui Si、Qiong Zhuang等围绕传统冯·诺依曼架构中传感、记忆与计算物理分离所导致的实时高精度处理瓶颈，以及生物视觉层级信息处理机制的启发，提出并研制基于非晶GaO_x（a-GaO_x）介电层的多功能垂直体异质结晶体管（MVBT）。研究背景在于，人工视觉系统不仅需将光信号转换为电信息，还需快速处理动态视觉输入；但传统架构处理与存储单元物理分离，对连续、高通量输入信号的实时高精度处理存在根本限制。现有方法常依赖多器件物理级联或异质集成来实现互补功能，虽可支持可重构传感内视觉处理，却会增加硬件复杂度、延迟和能耗；已有单器件可重构方案多聚焦于部分功能子集或特定工作模式，跨视觉信息处理不同阶段的紧凑集成仍有限。因此，研究人员在单一物理单元中集成深紫外（DUV）光电探测、阈值神经元放电、宽带光电突触可塑性和可重构逻辑输出，构建从信息输入、信号编码到状态调制和输出操作的连续功能链，并通过4 × 5像素化MVBT阵列和基于MVBT的卷积脉冲神经网络（CSNN）混合仿真验证系统级潜力。该工作为高功能密度、低冗余的传感—记忆—计算—决策一体化神经形态硬件提供了新策略和结构范式。

技术方法：研究人员采用垂直堆叠器件制备与材料表征（扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、紫外—可见吸收光谱），用半导体参数分析仪测试两端/三端电学、光电与脉冲响应；以开尔文探针力显微镜（KPFM）表征光照下表面电位，结合COMSOL Multiphysics和Langevin方程分析电场分布、离子输运与随机扩散；制备4 × 5像素化MVBT阵列进行光学图案处理；构建卷积神经网络（CNN）—脉冲神经网络（SNN）转换的CSNN混合仿真架构，在指纹数据集上评估识别性能。

研究结果：

2.1 器件结构与MVBT表征（Device Structure and Characterization of MVBT）：通过截面SEM、吸收光谱、电流密度—电场与电容—频率特性、XPS、XRD和AFM等表征，确认Si/MXene（Ti₃C₂T_x）/a-GaO_x/PDVT-10:PC₆₁BM/Au垂直堆叠结构；PDVT-10:PC₆₁BM与a-GaO_x厚度分别约50 nm和60 nm，a-GaO_x为非晶、直接带隙约4.8 eV、表面粗糙度0.212 nm，混合膜粗糙度0.467 nm；a-GaO_x具有低漏电和稳定电容响应，MXene网格源电极可降低导电细丝随机性。结论是器件具备超短沟道、宽带吸收和可靠栅控基础。

2.2 栅—源模式下的深紫外传感与神经元动力学（Deep-Ultraviolet Sensing and Neuronal Dynamics in the Gate–Source Mode）：通过254 nm光照下电流—电压特性、瞬态光响应、不同栅压、响应时间、光功率线性关系、响应度（R）和比探测率（D*）统计，以及20个器件阈值开关与脉冲编码测试，得出器件暗电流小于0.1 nA，R最大为0.278 A W^?1，D*峰值达5.8 × 10⁹ Jones，上升时间τ_r为36.14 ms、下降时间τ_f为17.55 ms；器件具稳定双向阈值开关和由脉冲幅度、脉冲间隔、占空比调制的放电延迟，MXene较Ag纳米线电极改善开关可控性。

2.3 光电突触可塑性与工作机制（Optoelectronic Synaptic Plasticity and Working Mechanisms）：通过转移/输出特性、能带图、电压与光脉冲刺激下的兴奋性突触后电流（EPSC）和抑制性突触后电流（IPSC）、配对脉冲促进（PPF）/配对脉冲抑制（PPD）、脉冲串、波长/脉宽/脉冲数/漏源电压依赖及能耗计算，得出器件呈p型晶体管行为，栅源电压V_GS=0 V时整流比约5 × 10²、V_GS=?3 V时降至2.7；可实现突触增强/抑制、PPF/PPD、短时记忆（STM）向长时记忆（LTM）转变及365/520/808 nm宽带突触响应，单突触事件能耗低至15.7 aJ；机制涉及栅场调控、PC₆₁BM电子陷阱和体异质结光生载流子分离。

2.4 光电整流机制与可重构逻辑操作（Optoelectronic Rectification Mechanism and Reconfigurable Logic Operations）：通过正负偏压下的能带/电势分布、二维光电流映射和KPFM，得出整流源于Au/活性层与MXene/活性层不对称空穴/电子注入势垒及内建电场；光照下表面电位在365/520/808 nm分别约180/173/120 mV；以V_GS和光为双输入、漏源电流I_DS为输出，在漏源电压V_DS=?1 V实现AND、V_DS=+1 V实现OR，实现单器件偏压可重构逻辑。

2.5 像素化MVBT阵列的双模式视觉预处理（Dual-Mode Visual Preprocessing in a Pixelated MVBT Array）：通过4 × 5阵列、暗态转移特性、254 nm和520 nm下“T”形图案投影与电流读出，得出20个像素一致性良好；两端模式实现254 nm瞬态图像重建与快速衰减/背景刷新，三端突触模式实现520 nm脉冲诱导图像增强和临时保持。

2.6 基于MVBT的CSNN融合网络用于指纹识别（CSNN Fusion Network Based on MVBT for Fingerprint Pattern Recognition）：通过CNN特征提取、CNN-SNN转换层、五类脉冲神经元放电时序和混淆矩阵，在指纹数据集上评估，得出CSNN识别准确率为97.4%，SNN为85.6%，相对提升13.8%；指数指纹识别准确率为95%，误判概率为5%；训练150轮后损失收敛。

讨论部分总结：讨论部分强调MVBT将互补功能集成于单一物理单元，降低多器件级联带来的硬件复杂度、延迟和能耗；机制上由a-GaO_x的紫外选择性光响应和电化学反应、体异质结宽带光响应、不对称界面注入共同支撑；4 × 5阵列与CSNN验证了从感知到决策的系统级潜力。研究结论翻译如下：总之，该工作提出一种基于a-GaO_x的多功能垂直体异质结晶体管。该器件在单一单元内集成四类功能：深紫外光电探测、忆阻神经元放电、宽带光电突触行为和可重构逻辑门。在两端（栅—源）工作模式中，研究人员利用a-GaO_x的紫外选择性光响应和电化学反应分别实现深紫外光电探测和神经元放电；两端模式器件在254 nm光照下峰值比探测率达5.8 × 10⁹ Jones，并表现出稳定的阈值触发放电行为。在三端晶体管模式中，有机体异质结活性层实现宽带光电突触功能，而不对称界面载流子注入势垒进一步赋予器件整流特性和可重构逻辑门能力；单突触事件能耗可低至15.7 aJ，并成功实现AND和OR逻辑功能。此外，4 × 5像素化MVBT阵列实现双模式光学图案处理，包括两端模式下的瞬态DUV图像重建，以及三端突触模式下的脉冲诱导图像增强和临时保持。进一步地，基于MVBT的卷积脉冲神经网络混合仿真架构验证了其在复杂模式识别任务中的系统级潜力。因此，MVBT不仅为多功能神经形态器件的集成设计提供了新策略，而且对发展集成传感、记忆、计算与决策的高功能密度、低冗余神经形态硬件具有重要意义。