面向神经形态应用的压电半导体 PIN 棒瞬态行为的机械调控

《Physica B: Condensed Matter》：Mechanical Tuning of Transient Behavior of Piezoelectric Semiconductor PIN Rods for Neuromorphic Applications

　　

•建立压电半导体（PSs）的时变非线性多场耦合模型，并通过 PS-FVM 实现高精度求解。
•机械载荷增强 PIN 晶体管的反向恢复电流，符合突触长时程增强特性。
•机械载荷抑制电流衰减以实现突触非易失性。
•提出一种基于 PS 应变工程构建人工突触的新思路。

引言
在后摩尔定律时代，电子器件正向功能多样化和微型化发展，对材料性能和结构设计提出了越来越严格的要求 [1], [2], [3]。压电半导体（PSs）因其优异的机电耦合能力、快速响应和强兼容性而引起了广泛关注。然而，传统压电材料主要是绝缘的，这阻碍了材料内部直接的信号转换和反馈，从而限制了它们在电子器件中的应用 [4], [5], [6], [7]。相比之下，PS 材料集成了压电性和半导体特性。这种集成不仅提供了优越的机电耦合性能，还克服了传统压电材料在电子应用中的局限性。这种功能的实现源于两个方面 [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]：从材料角度来看，它源于极化诱导电场与载流子再分布之间的动态协同作用；从能量角度来看，它源于机械能与电能之间的相互转换。

随着研究的进展，人们发现 PS 内部的质量传输行为——即电荷载流子的动力学特性——可以通过应变工程诱导的极化场进行调节。这使得微电子器件的功能转换或性能增强成为可能。代表性应用包括 PS PN 结 [15], [16], [17]、量子点 [18], [19]、光电器件 [20], [21]、声学器件 [22], [23] 和双极性晶体管 [24], [25] 的调制和优化。特别是，在载流子浓度相对较低的空间电荷区内，极化场驱动载流子再分布。再分布的载流子反过来屏蔽极化场。当载流子浓度不足以完全屏蔽诱导极化场时，器件的势垒结构会发生强烈变化，从而改变载流子的动力学行为 [26], [27], [28], [29]。在空间电荷区内，载流子动力学涉及四个根本不同的过程：漂移、扩散、产生和复合。这些过程对应于带内和带间传输现象 [30], [31], [32]。利用微扰理论，Gao 和 Wang [33] 首次推导出了侧向力作用下弯曲 ZnO 纳米线的静电势解析表达式。然而，他们忽略了压电场对机械变形的影响，这意味着他们的模型只是半耦合的。即便如此，他们的模型成功解释了微小扰动下载荷区域内外电势的反对称行为，表明空间分布可以用与正弦形式相关的复合函数来描述。Zhang 等人 [34] 基于线性化电流假设，获得了小机械载荷下 PS 中的机电场分布。在建立模型时，他们采用高斯定律耦合机械场和电场，充分考虑了它们之间的相互耦合。他们的工作阐明了 PS 器件应变工程调制中的一个关键物理机制：压电极化场对载流子动力学的影响。然而，在包含空间电荷区的微电子器件中，例如非平衡条件下的 PN 结，载流子浓度的急剧变化使得线性化电流假设失效。例如，尽管 Luo 等人 [35] 基于线性化电流假设构建了非平衡 PN 结的解析机电模型，但得出的电流 - 电压关系结果是线性的，这显然与 PN 结的内在物理特性相矛盾 [36]。Guo 等人 [37] 基于高阶微扰理论为非平衡 PN 结开发了一种非线性模型，揭示了空间电荷区内部的机电场分布。然而，他们未考虑结内载流子动力学与器件边界特性之间的对应关系，导致预测的电势和载流子分布出现空间失真。基于对空间电荷区内载流子动力学的全面理解，Yang 等人 [38] 率先提出了 PS 的全耦合模型。利用高斯定律、机械平衡方程、唯象载流子漂移 - 扩散模型和压电本构关系（无需基于微扰的假设），他们研究了空间电荷区内的完整载流子分布，并整合了载流子产生和复合的影响。这使得他们能够捕捉空间电荷区内部多子电流与少子电流之间的转换。他们的工作不仅完成了机械载荷下完整质量传输过程的描述，还为理解涉及结区的 PS 器件中的完整能量传输过程奠定了基础。在此基础上，Yang [39] 和 Guo 等人 [40] 将非线性全耦合模型进一步扩展到了双极性晶体管和热电器件。最近，Yang 等人 [41] 纳入了空间电荷区内部载流子传输与能量流之间的关系，建立了相应的质量传输和能量传输过程分析。

除了传统微电子器件外，PS 的载流子调制机制也为神经形态电子系统的发展提供了新的机遇。运行在传统冯·诺依曼数字计算机上的软件通过串行处理进行计算。因此，此类系统本质上耗能高，无法有效模拟神经网络的并行信息处理能力 [42], [43], [44]。使用互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管模拟仅耗功耗约 20 W 的人脑的低效性，源于根本差异：CMOS 器件处理数字信息，而大脑处理模拟信息 [45], [46]。通过使用控制栅极，可以有效调制晶体管的沟道电导，从而推动基于晶体管的神经形态器件的开发，这引起了越来越多的关注 [47]。Diorio 等人 [48] 提出了一种浮栅硅 MOS 晶体管用作人工突触。然而，大多数基于当前 CMOS 晶体管的神经形态架构需要大量的微电子元件来模拟甚至单个突触或神经元——著名的 TrueNorth 芯片就是一个例子 [49]。因此，具有内在记忆效应的基础电子元件的开发引起了广泛关注。纳米线（NW）结构由于其高纵横比和机械柔性，非常适合模拟神经纤维的形态并实现高度集成的神经形态架构 [50], [51]。然而，大多数报道的基于 NW 的突触器件只能模拟单一的神经递质释放通路，无法实现短期记忆和长期记忆之间可立即切换的塑性 [52], [53]。Tao 等人 [54] 构建了一种复合结构场效应晶体管，能够模拟从短期记忆到长期记忆的转换，从而将外部刺激转化为永久存储的信息。关键机制是重复施加相同的栅极电压脉冲，将电荷从 Al2O3 层（短期记忆层）选择性注入到 TiO2 层（长期记忆层），从而实现延长的电荷保持。受此概念启发，Ni 等人 [55] 最近开发了一种独特的 PIN 神经形态晶体管，其中载流子注入由电光耦合调制。他们的器件通过将 CMOS 半导体纳米线阵列与光敏材料集成，实现了对光刺激的“能量捕获”和“能量传输”，从而实现了对光输入的长期记忆，扩展了感知能力。一般来说，外部刺激（例如光激发）产生非平衡载流子，从而调制突触结构的电导。短期记忆是通过这些载流子在缺陷或陷阱中的暂时捕获产生的。关键因素是载流子复合的控制：一旦复合完成，外部刺激的痕迹就会消失。为了解决这个问题，研究人员开发了各种策略，例如在空间电荷区内添加额外的改性层 [56], [57], [58]，或者将信号捕获、信号转换和信号存储组件集成到单个电路中，以便它们的联合操作能够模拟突触行为 [59], [60]。从神经形态器件物理学的角度来看，这些功能最终依赖于调节非平衡载流子的动力学行为。然而，所有现有方法不可避免地增加了器件复杂度、制造成本或两者兼有。广泛的研究表明，PS 的独特特性使得通过压电极化场形成定制势垒结构成为可能，进而调制非平衡载流子的动态行为。代表性例子包括机械载荷下 PS 纳米线的极化诱导开关 [61] 和压电晶体管中的机械调节载流子传输 [24]。借鉴这些进展，我们认为简单的机械载荷可以有效地调节载流子动力学并操纵载流子复合，从而实现电子设备中记忆性能的近乎永久调制。

最近的研究进一步将压电半导体力学扩展到了更复杂的结构配置。夹心 PS 梁中的热 - 电 - 机械耦合已得到研究 [62]，而层状圆柱 PS 结构中 PN 结几何形状对耦合波传播的影响也已得到考察 [63], [64]。包含机械和电气不完美界面的复合 PS 梁也得到了研究，证明了结构配置和界面特性在调节机电场和载流子分布中的重要作用 [65], [66]。这些进展突显了结构设计在 PS 器件中日益重要性。尽管如此，大多数现有研究主要集中在稳态、准静态或谐波响应上，而电切换过程中的瞬态载流子传输、复合和恢复仍较少被探索。

在本研究中，我们为机械调节的 PS-PIN 结构建立了一个时变非线性多物理场模型。与主要解决 PS 结和晶体管中稳态机电场或静态电流 - 电压调节的以往研究相比，本模型在一个统一的瞬态框架内明确解决了非平衡载流子、产生/复合、压电极化和外部切换偏置场的演化。为了准确处理结附近和机械载荷边界处产生的陡峭载流子梯度，开发了一种结合 Scharfetter-Gummel (S-G) 通量离散化的有限体积法（FVM）。分析揭示了施加电场与机械诱导极化场之间的时依赖协同机制：在电压切换期间，极化场促进存储的非平衡少子载流子的提取并增强反向恢复电流，而在随后的截止阶段，它改变了平衡载流子的提取并显著减缓了电流衰减。这些特性为本工作中研究的类似 LTP（长时程增强）增强和类似 NV（非易失性）保持提供了物理基础，并使本研究区别于 PS 结和晶体管的传统稳态分析。

章节片段
控制方程和边界条件
基于冯·诺依曼架构的传统电子计算机依赖串行处理，在处理图像识别和语音理解等大规模并行数据时导致效率低和功耗高。相比之下，由大脑和脊髓组成的人体中枢神经系统（CNS）作为一个生物计算机，能够通过在电信号和化学信号之间的转换来传输信号并实现突触可塑性

热平衡下的机电场特性
在使用所提出的 PS-FVM 方法时，需要提前获得稳态解作为迭代计算的初值。在本工作中，采用热平衡下的物理场分布作为初始迭代值 [41]。

在梯度晶体管中，除了由不同掺杂水平形成的内建电场外，杂质电离引起的载流子梯度也会产生内建电场。该电场与空间电荷叠加

结论
本文建立了一种压电半导体（PS）PIN 晶体管的非稳态和非线性多物理场耦合模型。结合有限体积法（FVM）和 Scharfetter-Gummel (S-G) 离散化方案，实现了高精度数值求解，揭示了机械载荷下 PS-PIN 晶体管的动态恢复特性。

施加偏置场与机械载荷诱导的极化电场之间的协同效应

CRediT 作者贡献声明
Yizhan Yang：写作 – 回顾与编辑，监督，方法论，调查，资金获取，形式分析。Yuliang Cai：写作 – 原稿，可视化，验证，软件，调查，数据整理。Yanming Ren：写作 – 原稿，调查，数据整理

利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
本研究得到了湘潭大学（KZ08130）的支持。

Yuliang Cai|Yanming Ren|Yizhan Yang