具有温度调控界面电荷捕获特性的光电子MoS2突触晶体管

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Optoelectronic MoS2 synaptic transistors with temperature-modulated interfacial charge trapping

　　

摘要

光电子神经形态器件对于在智能边缘系统中实现类似视觉的感知功能以及就地计算至关重要。对于在较高温度下工作的突触器件而言，界面特性是其整体性能的关键决定因素。尽管已有大量研究通过界面工程优化器件的电学响应，但界面电荷行为随温度的变化及其对二维光电子器件性能的影响仍需进一步探索。在本研究中，我们设计了一种基于少层MoS₂通道和Al₂O₃介质的光电子神经形态场效应晶体管，并系统研究了其在从室温到200℃的宽温度范围内的突触行为。氧化物陷阱中光生载流子的热加速捕获与释放现象增强了记忆效应以及光电子突触响应强度。在可见光光谱范围内施加光脉冲刺激时，该器件表现出明显的温度增强型突触行为，其特征为持续的光电导现象。值得注意的是，在130℃时，该器件能够通过连续光脉冲成功模拟关键的突触学习规则，包括成对脉冲强化效应和时序依赖性可塑性。此外，在高温条件下，该器件还实现了诸如光编程逻辑运算、关联学习以及基于人工神经网络的形象识别等典型的神经形态功能。这些结果表明，利用温度增强的氧化物陷阱动态特性，可有效开发出能在高温环境中稳定运行的光电子神经形态器件，从而填补了高温应用场景下光电子突触器件研究的空白。

引言

光信号蕴含着关于周围环境的丰富信息，是边缘系统实现智能感知的主要输入方式[[1], [2], [3]]。因此，光电子神经形态器件能够在器件层面直接处理光信息，为分布式感知和传感器内计算提供紧凑且节能的硬件平台[[4], [5], [6], [7], [8]]。要实际应用这类器件，还必须在恶劣环境条件下保持稳定运行。尤其是在航空航天电子、深井钻探、火灾监测以及工业传感等领域的高温环境下，对器件的稳定性及功能保持能力有着极高要求[[9], [10], [11]]。开发高温光电子神经形态器件的核心挑战不仅在于维持结构完整性，更在于在高温环境下保持其功能性的突触响应，因为在这种条件下，器件性能往往会下降，且可塑性也会丧失。与此同时，为了确保可靠的光信号处理，还必须保持对可见光的有效吸收以及稳定的光电子耦合能力[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。如何在高温环境保持稳定性、持续的光电子响应以及功能性突触行为之间取得平衡，仍是制约实用光电子神经形态器件发展的关键问题[[19], [20], [21], [22]]。

为缓解高温环境下神经形态器件性能的下降，人们已经探索了多种器件设计策略，包括异质结构通道设计[23,24]、电解质栅极晶体管[25,26]、浮栅架构[27,28]以及缺陷工程化介质[29,30]。例如，异质结构通道能够在保持良好热稳定性的同时拓宽滞后窗口。无机固态电解质和衬底工程化技术则利用高温下更高的离子迁移率来提升静电调控效果以及开关比[31,32]，而浮栅以及电解质/离子液体栅极结构则通过电容或离子耦合效应增强突触调控能力。尽管取得了这些进展，但目前仍缺乏能够在约125℃以上同时具备优异光学响应、可靠的突触可塑性以及稳定运行能力的光电子突触器件[[9], [10], [11],[31], [32], [33], [34]]。如补充表S1所示，许多已报道的器件并不具备温度可调的光电特性。在各类设计方案中，基于氧化物的突触器件尤为具有优势，这是因为氧化物介质本身具备良好的热稳定性，且与CMOS加工工艺高度兼容[[35], [36], [37], [38]]。重要的是，通道与氧化物缺陷之间的载流子交换是由热激活过程控制的，这表明升高温度反而可能增强突触动态特性，而非降低器件性能[[39], [40], [41], [42]]。虽然基于氧化物的电学突触行为已被广泛研究，但其在高温条件下实现稳定且增强的光电子突触功能的潜力仍有待进一步探索。

在本研究中，我们设计并系统研究了一种背栅式范德瓦尔斯光晶体管，其通道由机械剥离得到的少层MoS₂构成，介质则为Al₂O₃。选择这种结构的原因是，底栅结构更便于研究器件性能随温度的变化规律。由于MoS₂具备宽波段的光吸收特性，且Al₂O₃/MoS₂界面具有热稳定性且含有大量陷阱，该器件为研究神经形态晶体管中的光-电-热耦合效应提供了理想的平台。我们从室温到200℃范围内对这类器件的电学突触行为进行了表征，发现高温下其有效的电荷捕获能力有所增强。在450–690纳米范围的可见光照射下，该器件表现出显著的后突触持续光电导现象，且在130℃时的兴奋性后突触电流相比室温时增加了约400%。这一增强效应在不同光刺激条件下均存在，可归因于氧化物介质中电荷捕获与释放过程的温度增强作用。通过利用波长依赖性的光响应特性，我们仅需两个独立的光脉冲作为突触前输入，即可实现多种突触学习行为，包括成对脉冲强化效应和时序依赖性可塑性。此外，由于温度增强了光电子耦合效应，该器件在130℃时还能实现更高层次的神经形态功能，比如光编程逻辑运算、巴甫洛夫式关联学习以及基于人工神经网络的形象识别。本研究的最主要创新之处在于，它首次系统研究了温度如何影响基于MoS₂的突触晶体管的电电子神经形态行为。这些结果充分展现了基于氧化物的MoS₂光电子突触器件在高温环境下的集成感知、存储及计算应用潜力。

章节节选

结果与讨论

生物神经系统的一个核心特征便是多种感官模态的整合，通过对不同刺激的协同处理，来实现可靠且适应性强的感知功能。如图1(a)所示，视觉信号（如光线）是主要的输入信息，而环境温度则会调节突触的效能，从而使器件在复杂环境中能够做出更为精准的反应。为了在硬件层面模拟这种光-热协同效应，就需要开发出能够同时处理光学信号与

结论

综上所述，本研究展示了一种基于MoS₂/Al₂O₃场效应晶体管、具备固有电荷捕获存储功能且性能受温度调控的光电子神经形态器件。我们系统研究了光学激发、电学栅控以及热激活作用之间如何共同影响该器件的突触行为。研究结果表明，升高温度会显著增强器件的光电子响应：由于有效陷阱数量的增加，该器件的滞后窗口也会随之扩大

方法

器件制备。在1×1平方厘米的p⁺硅衬底上，通过原子层沉积技术沉积了30纳米厚的Al₂O₃层。随后，使用胶带将莫尔沙烯块体材料中的少层MoS₂剥离下来，直接转移到目标衬底上。为确保更好的接触效果，先将衬底加热至110℃并保持10秒，同时按压胶带表面以排出气泡。之后，以1000转/分钟的速度通过旋涂法在衬底上涂覆光刻胶（Allresist GmbH，AR-P 5350型号）

CRediT作者贡献说明

戴超奇：数据整理、实验研究、方法设计、结果可视化、初稿撰写。刘爱荣：数据整理。陈思凯：数据整理。魏玉桐：数据整理。朱丽梅：数据整理。陈世阳：数据整理。刘飞：论文审阅与编辑。明芳菲：概念设计、资金申请、实验研究、项目管理、总体监督、结果可视化、论文审阅与编辑。邓绍志：资金申请、项目管理、论文审阅与

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFA1203503）、中国国家自然科学基金（项目编号：12474183和12174456）以及广州市科技计划项目（项目编号：2024A04J6304）的支持。

戴超奇|刘爱荣|陈思凯|魏玉桐|朱丽梅|陈世阳|刘飞|明芳菲|邓绍志

中国广东省光电材料与技术重点实验室、广东省显示材料与技术重点实验室，中山大学电子与信息技术学院，广州，510275，中国