視網(wǎng)膜啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計算為突破傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的局限提供了新路徑。要在神經(jīng)形態(tài)硬件上實現(xiàn)高性能訓(xùn)練，人工突觸必須具備線性對稱可編程性、雙極操作、多態(tài)存儲能力、高良率、長保持時間和低變異性等關(guān)鍵特性。然而，現(xiàn)有神經(jīng)形態(tài)器件常因非對稱和非線性導(dǎo)電特性而面臨重大挑戰(zhàn)，限制了其整體性能。因此，開發(fā)能在單一器件中同時實現(xiàn)持久正光電導(dǎo) (PPC) 和持久負(fù)光電導(dǎo)(NPC) 的新型器件引起了廣泛關(guān)注。這類器件可模擬突觸行為，在復(fù)雜環(huán)境中增強(qiáng)信息感知能力，降低功耗，提高識別精度，并簡化硬件設(shè)計。

目前，研究人員已探索了多種技術(shù)來實現(xiàn)這些特性，包括二維材料的多層堆疊、靜電摻雜和缺陷捕獲等。然而，多層堆疊異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制備工藝給光電存儲器件的大規(guī)模集成和穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)適用于動態(tài)視覺場景神經(jīng)形態(tài)計算的新型材料系統(tǒng)仍是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

蘇州納米所康黎星研究團(tuán)隊提出了一種通過化學(xué)氣相輸運(yùn)制備的硒內(nèi)嵌單壁碳納米管（Se@SWCNTs）的一維范德華異質(zhì)結(jié)。利用像差校正透射電子顯微鏡 (AC-STEM) 以及光譜學(xué)和電學(xué)表征，成功證實了雙鏈硒被封裝在單壁碳納米管內(nèi)部。與先前研究不同，通過溶液沉積技術(shù)成功制備了大面積的半導(dǎo)體性 Se@SWCNTs 薄膜。利用這些薄膜，在柔性基底上構(gòu)建了4英寸晶圓級的 Se@SWCNTs 一維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)光電晶體管。這種方法消除了對多層異質(zhì)結(jié)或復(fù)雜電路的需求，從而簡化了陣列集成和晶圓級制造。結(jié)合有效的柵極調(diào)制，實現(xiàn)了對PPC 和NPC 響應(yīng)的高度線性和精確控制。其線性擬合相關(guān)系數(shù) (R2) 超過 0.99。同時實現(xiàn)了具有超過128個存儲態(tài)的線性PPC和NPC。通過利用器件在不同光強(qiáng)度（0.1–2.1 mW/cm2）和波長范圍下的性能變化，我們展示了在受腦區(qū)功能啟發(fā)的、復(fù)雜度遞增的三項任務(wù)中，權(quán)重規(guī)則處理的高度一致性。重要的是，這三項不同視覺任務(wù)（數(shù)字/字母識別、形狀識別和特征識別）所需的神經(jīng)結(jié)構(gòu)（深度卷積網(wǎng)絡(luò)、殘差網(wǎng)絡(luò)和注意力網(wǎng)絡(luò)）及其對應(yīng)的衰減率（階梯式、指數(shù)式和預(yù)熱式）也是不同的。所提出的晶體管能夠通過光學(xué)混合編程促進(jìn)受生物啟發(fā)的腦區(qū)之間的轉(zhuǎn)換，從而適應(yīng)動態(tài)的視覺環(huán)境。這種首次引入的創(chuàng)新方法，為腦啟發(fā)計算和仿生視覺的實際應(yīng)用鋪平了道路。

任務(wù)1（識別字母/數(shù)字）主要激活初級視覺皮層（V1-V3）和下顳葉皮層進(jìn)行基礎(chǔ)感知；任務(wù)2（識別圖案/顏色）進(jìn)一步調(diào)動梭狀回和V4區(qū)處理精細(xì)特征；任務(wù)3（區(qū)分動物特征）則需頂葉內(nèi)溝等高級中樞參與整合。這種層級化激活模式揭示了大腦應(yīng)對遞增認(rèn)知需求的動態(tài)協(xié)作機(jī)制。

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圖1. 受腦功能區(qū)啟發(fā)的晶圓級突觸陣列的設(shè)計和制造

晶圓級均勻工藝：4英寸柔性陣列1000器件統(tǒng)計閾值電壓、開態(tài)電流呈正態(tài)分布。

圖2. Se@SWCNTs 光電晶體管的大面積均勻性表征

高線性權(quán)重更新：電導(dǎo)-脈沖數(shù)線性度R2>0.99，優(yōu)于現(xiàn)有二維/有機(jī)/氧化物體系。128態(tài)非易失存儲：連續(xù)光脈沖下可分辨128級權(quán)重，對應(yīng)7 bit精度，保持時間>1000 s。

圖3. 柵極可調(diào)控雙極光存儲

波長-強(qiáng)度協(xié)同編程：通過375/405/532 nm與0.1–2.1 mW cm-2組合動態(tài)生成步進(jìn)、指數(shù)、余弦等學(xué)習(xí)率曲線，直接映射至CNN/ResNet/Attention權(quán)重。

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圖4. 用于動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)可編程神經(jīng)形態(tài)器件

相關(guān)工作以Gate-Tunable Highly Linear Bipolar Photoresponse in Se@SWCNT Adaptive Neurons for Dynamically Programmable Neuromorphic Computing為題發(fā)表在Advanced Materials上（論文1）。中國科學(xué)院蘇州納米所博士生姚建，博士后王琦男和耿林為論文共同第一作者。西交利物浦大學(xué)趙春教授和中國科學(xué)院蘇州納米所劉立偉研究員、李清文研究員、康黎星研究員為共同通訊作者。同時團(tuán)隊還系統(tǒng)地總結(jié)了全光控先進(jìn)神經(jīng)形態(tài)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)探討了材料和全光學(xué)控制機(jī)制在提升效率和可擴(kuò)展性方面的貢獻(xiàn)以及全光學(xué)控制神經(jīng)形態(tài)器件在光學(xué)邏輯門、視覺感知和腦啟發(fā)計算等多樣化應(yīng)用中的潛力 (ACS Nano 2025, 19, 29, 26320)（論文2）。系列研究獲得了國家自然科學(xué)基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的支持，以及中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）和納米加工平臺的技術(shù)支持。

來源：半導(dǎo)體芯科技


審核編輯 黃宇