近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所材料界面研究中心李佳副研究員團隊在新型神經突觸器件研究方面取得進展，團隊利用超靈敏異質結光電晶體管架構實現了超低能耗的光驅動人工突觸器件。相關成果以Ultralow light-power consuming photonic synapses based on ultrasensitive perovskite/Indium-Gallium-Zinc-Oxide heterojunction phototransistors為題發表于Advanced Electronic Materials。深圳先進院材料界面中心博士后曹勇是論文第一作者，李佳副研究員是論文通訊作者。

與傳統的馮諾依曼計算機系統相比，人工神經網絡可以模仿人腦神經元的基本功能，以分布式、并行式以及事件驅動的方式進行高效的數據處理，是突破“馮諾伊曼瓶頸”，實現新一代人工智能計算機的重要手段。人工突出器件是神經形態計算系統的核心硬件之一。相對電子突觸器件，光子突觸器件借助光信號驅動實現突觸功能，具有快速、高帶寬、低串擾、低功耗等優點。更重要的是，光子突觸器件直接對光信號進行響應和處理，可直接處理視覺、圖像信息，因此可以用來模擬人類視網膜的功能。如果與其他神經元器件結合可以構成視覺神經網絡，實現人工模擬的神經形態視覺系統。因此，開發新型“存算一體化”的高性能光子突觸器件對實現基于光子神經網絡的人工智能系統具有重要意義。

針對以上研究目標，團隊在前期工作的基礎上（Adv. Mater. 2021,33, 2101717；Adv. Mater. 2019, 31, 1900763）, 構建了基于鈣鈦礦納米晶（Nanocrystals）/銦鎵鋅氧化物（IGZO）異質結光電晶體管的光子突觸器件。光電晶體管是一種三電極型光探測器，與二極管型光探測器相比，其溝道載流子密度可以通過柵壓和入射光子進行有效調制，從而結合了晶體管和光電導的復合增益效應，進而對光生電流進行放大，實現超靈敏的光響應性能。在光電晶體管突觸器件中，IGZO和鈣鈦礦分別承擔溝道材料和吸光材料的角色。IGZO憑借高遷移率、低加工溫度以及與現代工業制造良好的兼容性而被公認為優異的新一代高性能溝道材料。鈣鈦礦則具有高效的光吸收特性、高量子產率以及杰出的光學可調性。因此，這種異質結結構結合了IGZO和鈣鈦礦各自的優點，在光響應度、光響應靈敏度、光探測度等方面賦予光子突觸器件出色的光電特性。

不僅如此，異質結中的載流子陷阱可以有效誘導光電流的延遲衰減，這對于實現高性能的光驅動突觸器件至關重要。基于這一器件架構，獲得了巨大的光生電流信號放大，使得光探測靈敏度達到3.58×10? A/W，最低可檢測光強低至nW量級。與此同時，也實現了興奮性突觸后膜電流（EPSC），雙脈沖易化（PPF），和短長期記憶轉換（STM-LTM）等神經突觸的基本功能。更重要的是，產生有效突觸后膜電流的光能耗低至2.6 pJ，這一能耗遠低于大多數已報道的光能耗水平。

圖：(a)鈣鈦礦/IGZO異質結型光電晶體管光驅動人工突觸器件結構；(b) 鈣鈦礦/IGZO異質結型光電晶體管光驅動人工突觸器件工作示意圖

本研究成果為實現低光能耗的人工模擬突觸光電器件提供了新思路與有效的技術路徑，同時也為光子突觸器件提供了超靈敏、輕量、柔性、規模化生產和低成本等眾多優點，有望推動光子突觸器件在視覺信息處理，圖像識別和光子神經網絡等方面的廣闊應用。

審核編輯：劉清