超薄InxTiyO薄膜基双模式光电突触用于传感内神经形态计算与物理图像编码

《Advanced Electronic Materials》：Dual-Mode Optoelectronic Synapse Based on Ultrathin InxTiyO Films for In-Sensor Neuromorphic Computing and Physical Image Encoding

　　

在本工作中，研究人员提出了一种基于超薄In_xTi_yO沟道的双模式光电突触器件（dual-mode optoelectronic synaptic device），并演示了基于电导态（conductance state）的图像编码。超薄In_xTi_yO沟道通过原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）超循环工程制备，可精确调控沟道特性以优化突触操作。该器件通过界面电荷俘获（interfacial charge trapping）机制工作，并表现出电学和光学突触行为。值得注意的是，在光刺激下通过光生载流子积累实现了近乎线性的电导调制，表明其适用于神经形态学习系统（neuromorphic learning systems）中的精确突触权重控制。此外，在不同电刺激条件下实现了多级电导态（multilevel conductance states），并将其用于将图像信息编码为电流图。即使多个图案重叠，编码信息也可通过电流值的线性叠加有效表示。这些结果证明了该器件在单一平台内集成传感、记忆和安全功能的潜力。总体而言，所提出的基于In_xTi_yO的光电突触器件为功能集成型传感内神经形态系统和下一代人工智能硬件提供了有前景的平台。

研究背景与问题：人工智能（AI）和数据密集型计算的发展对高能效、大规模并行计算的半导体硬件提出需求，AI图像处理又要求实时处理大规模视觉数据并重视信息安全。传统冯·诺依曼架构中传感、存储和处理物理分离，导致数据传输延迟、额外能耗及外部电路中的数据移动安全风险。传感内计算（in-sensor computing）和神经形态突触器件被视为解决路径，但二维材料存在大面积均匀薄膜制备和CMOS工艺兼容性问题，两端器件读写耦合限制独立调控，三端突触晶体管可分离读取与栅极调制。氧化物半导体具有宽禁带、低关态电流、较高电子迁移率、大面积均匀性和低温CMOS兼容性；In₂O₃基材料易形成氧空位，增加载流子浓度和关态电流，导致阈值电压漂移等不稳定性，超薄<10 nm沟道中缺陷与界面效应更突出。既往TiO₂基氧化物沟道虽稳定但迁移率较低（平均场效应迁移率2.16 cm² V^?1 s^?1），且需300°C沉积和约30 nm厚度形成锐钛矿相，限制沟道缩放。为此，研究人员将In引入Ti基氧化物体系，以In促进电子输运、Ti作为稳定组分，并采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）超循环工程制备超薄In_xTi_yO沟道；原文指出Ti抑制氧空位未在本研究直接测定，相关作用基于既往实验报道讨论，且该二元阳离子体系与IGZO中Ga/Zn的设计不同。研究还引入富氧SiO_2.1电荷诱导层（charge-inducing layer, CIL），构建对电学和光学刺激独立响应的双模式光电突触，并利用多级电导态实现基于电流映射的图像编码，在单一平台上集成传感、存储和安全功能。

关键技术方法（≤250字）：采用PEALD超循环工程（每超循环4个In₂O₃ ALD循环和1个TiO₂ ALD循环）沉积约7 nm In_xTi_yO沟道，并以PEALD沉积Al₂O₃栅介质和富氧SiO_2.1 CIL；经光刻和干蚀刻图案化后沉积Al源/漏电极。使用Keithley半导体参数分析仪测转移特性，函数发生器施加电脉冲评估兴奋性突触后电流（EPSC）、抑制性突触后电流（IPSC）、双脉冲易化（PPF）和双脉冲抑制（PPD）；在275 nm紫外光照下测试光学突触特性。采用透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析截面结构与化学态，FIB制备TEM样品；对10个同条件器件进行电学统计。本研究无样本队列来源。

结果与讨论：其一，基于电导态的信息处理概念。通过生物脑至突触层面的概念图、器件结构和图像编码示意图，说明电学和光学刺激可独立施加并诱导界面电荷俘获，产生类似突触权重变化的电导调制；输入视觉模式可划分为不同图案或区域并对应不同电导态和电流水平，从而以空间电流分布表示和存储信息。其二，器件结构与材料表征。TEM确认Al₂O₃（约16 nm）、SiO_2.1（约30 nm）和In_xTi_yO（约7 nm）多层结构；转移特性呈逆时针滞回，表明CIL诱导的界面电荷俘获成为主导机制；XPS显示In 3d峰对应In³⁺、Ti 2p峰对应Ti⁴⁺，O 1s分峰对应晶格氧和缺陷相关氧，原子组成约35.1 at.% In和9.2 at.% Ti；单器件on/off比约10⁷、亚阈值摆幅0.58 V/dec、场效应迁移率8.61 cm² V^?1 s^?1；10个器件统计平均on/off比为(1.25±0.85)×10⁸、亚阈值摆幅0.563±0.085 V dec^?1、迁移率8.01±0.52 cm² V^?1 s^?1（7.28–8.77），表明约7 nm超薄沟道具有可重复电学特性。其三，电学突触特性。正栅压脉冲下EPSC随脉宽和幅值增加，表现由短时程可塑性（STP）向长时程可塑性（LTP）过渡；PPF随脉冲间隔减小而增大，双指数拟合时间常数τ₁≈0.04 ms、τ₂≈600 ms；负栅压脉冲诱导IPSC和PPD，PPD拟合时间常数τ₁≈13.69 ms、τ₂≈8.5 s，说明器件可实现兴奋性和抑制性双向电导调制。其四，光学突触特性。275 nm光照下，能量高于带隙的光子产生电子-空穴对，光生载流子与界面电荷相互作用调制沟道电导；光EPSC随脉宽增加并由STP向LTP过渡，保持时间较电学刺激更长；光PPF随间隔减小而增加；重复光脉冲下电导逐渐增加且线性度较高（Adj. R²=0.99927）；光脉冲频率由0.33 Hz增至3.33 Hz时PPF指数约由148%增至180%，光诱导电流变化随光功率增加，90个连续光脉冲后突触后电流逐渐增加。其五，基于多级电导态的物理图像编码与加密。250、500和900 ms脉宽下平均电流约19.6、35.6和131.1 nA，并在10次以上重复测量中保持稳定；字符U、S、T被定义为二值掩膜并分配特定电导态，重叠区域以对应电流值线性求和形成混合电流图；猫、植物和鹦鹉灰度图像转为二值掩膜并进行电导映射，叠加图案的电流值线性叠加形成空间电流分布。原文指出编码信息以物理电流分布而非直接可识别图像数据表示，重建原始图像需预先知道电导映射条件，认为这有利于物理层数据安全。

讨论总结与结论翻译：讨论部分强调，电学LTP呈非线性饱和，归因于界面陷阱逐步填充限制后续电荷俘获；光学LTP近线性，归因于重复光刺激下光生载流子的相对均匀积累；光学突触响应较长保持时间与光生载流子被较深界面陷阱俘获相关。器件通过不同电荷俘获机制实现刺激依赖的兴奋/抑制功能，并提供线性和非线性突触权重调制；双向电导调制为硬件神经网络中增加和降低有效突触权重提供器件级基础。多级电导态成功用于器件级图像编码和加密，将符号图案和复杂视觉图像转换为空间电流图。原文同时指出未评估系统级神经网络训练和图像识别性能，但所展示的突触特性为未来应用提供器件级基础。研究结论（翻译）：在本工作中，成功演示了一种基于超薄7 nm In_xTi_yO沟道并与电荷诱导层集成的双模式光电突触器件。该器件表现出电学和光学突触特性，并通过不同的电荷俘获机制实现兴奋性和抑制性突触响应。电荷诱导层的引入有效调控界面电荷动力学，导致电刺激下具有非线性增强和近线性抑制的非对称电导调制行为。在光刺激下，器件表现出稳定且近线性的长时程增强（LTP）特性，表明其在神经形态学习系统中突触权重调制方面具有潜在优势。相比之下，电刺激突触行为表现出与渐进界面陷阱填充和饱和效应相关的非线性记忆特性。这些结果表明，该器件可实现刺激依赖的突触功能，在单一器件平台内实现线性和非线性突触权重调制。双向电导调制为增加和降低有效突触权重提供了器件级基础，表明该器件作为硬件神经网络中人工突触的潜在应用。此外，In_xTi_yO突触器件的多级电导态被成功用于器件级图像编码和加密。符号图案和复杂视觉图像均被有效转换为空间电流图，证明了在单一器件架构内集成传感、记忆、计算和物理层信息编码的可行性。总体而言，所提出的基于In_xTi_yO的光电突触为实现单器件传感内神经形态计算系统提供了一种有前景的策略。其处理电信号和光信号的能力，结合物理层信息编码，突显了其在高能效、可扩展性和增强数据安全性的下一代AI硬件平台中的潜力。