Advanced Functional Materials:高PPF特征的光敏突触晶体管及视觉感知应用

研究背景

人脑从外部环境感知的信息中约80%是通过视觉感知系统获得,因此开发具有视网膜感知和信息处理功能的人工视觉感知系统是迈向机器视觉的重要一步。传统视觉电路中的感光单元与处理单元是分开的,这不仅限制了信息处理速度还导致非必要的能源消耗。而光电突触器件将光敏、信息处理和存储等功能集成到单一芯片,降低了视觉电路的复杂度以及提升了图像处理的速度。此外,光电突触还具有低的互联串扰以及超快的信号处理速度,已经受到科研人员广泛的关注。另一方面,为了满足视网膜高频率的信号捕捉,光电突触应具有瞬时图像解码和处理的能力。因此,设计具有高双脉冲易化 (paired pulse facilitation: PPF)指数的光敏突触器件是发展高精度人工视觉感知系统的理想方案。

文章概述

近日,电子科技大学王军教授小组报道了一个具有高PPF指数的光敏突触晶体管并展现了其具有应用于人工视觉感知系统的潜力。作者将超薄六方氮化硼(h-BN)引入石墨烯/钙钛矿量子点杂化晶体管体系,基于h-BN对光生载流子的限速行为,大幅度的提升了器件的PPF指数。同时作者详细的研究了器件的突触特性,并通过简易阵列化器件制备了一个成像芯片成功演示了人工视觉感知系统的实时感知/存储能力。此外,作者通过设计双层人工神经网络演示了器件具有类脑神经计算的能力,所提出的人工神经网络对手写数字的识别准确率约91.5%。该工作为未来利用石墨烯晶体管框架开发高性能的人工视觉感知系统提供了一条实践途径。

图文导读

图1. 光敏突触晶体管模拟各种典型突触特性。a) 光敏突触晶体管器件结构示意图。b) 有无h-BN器件记忆保留曲线。c) 钙钛矿量子点、石墨烯/钙钛矿量子点和石墨烯/h-BN/钙钛矿量子点的稳态PL谱。d) 相邻神经元之间信号传输示意图。e) 光敏突触晶体管的突触前光脉冲诱发的兴奋性突触后电流。f) 光敏突触晶体管沟道电导率受光脉冲时间的调制变化。g) 光敏突触晶体管的PPF曲线。h) 有无h-BN器件的PPF指数随脉冲间隔的变化。

图2. 有无h-BN器件的PPF行为比较。a) 石墨烯/钙钛矿量子点器件的PPF行为分解。b) 石墨烯/h-BN/钙钛矿量子点器件的PPF行为分解。c) 石墨烯/钙钛矿量子点器件的光生载流子传输示意图。d) 石墨烯/h-BN/钙钛矿量子点器件的光生载流子传输示意图。

图3. 光敏突触晶体管模拟人脑记忆规律。a) 人脑记忆模式原理示意图。b) 光敏突触晶体管在不同光脉冲时间下的记忆水平。c) 光敏突触晶体管在不同光脉冲数下的记忆水平。d) 光敏突触晶体管在不同光脉冲强度下的记忆水平。

图4. 光敏突触晶体管制备的成像芯片演示实时感光/存储功能。a) 2×2像素的成像芯片模拟视觉感知系统的原理示意图。b) 成像芯片演示人脑学习与遗忘过程。

图5. 光敏突触晶体管构筑的人工神经网络执行模式识别任务。a) 神经元在光和电两种模式下工作的原理示意图。b) 光敏突触晶体管的长期促进/抑制特性曲线。c) 手写数字的识别准确率。d) 人工神经网络的原理示意图。e) 与输出数字“8”相连的权重矩阵训练前状态。f) 与输出数字“8”相连的权重矩阵训练后状态。

结论

此项工作提出了一个具有高PPF指数的光电突触晶体管,用于模拟人工视觉感知系统。利用超薄h-BN调节光生载流子在垂直方向上的输运,延长了器件沟道电流的恢复时间以及大幅度提高了光电突触晶体管的PPF指数。利用光电突触晶体管制备的成像芯片具有实时感光/存储功能,同时基于光电突触集体管构筑的人工神经网络演示了约91.5%手写数字识别率。该工作对未来利用晶体管框架开发高性能的人工视觉感知系统具有借鉴意义。

论文信息

Light-Stimulated Synaptic Transistor with High PPF Feature for Artificial Visual Perception System Application

Chao Han, Xingwei Han, Jiayue Han, Meiyu He, Silu Peng, Chaoyi Zhang, Xianchao Liu, Jun Gou, Jun Wang*

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202113053

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113053