作者：Chen Lu, Meng*, Jieru Song, Wang, Hao Zhu, Qing-Qing Sun, David Wei Zhang, and Lin Chen*
背景介绍
近年来，感-存-算一体的器件已成为实现先进计算架构的重要硬件，在信息捕获、数据存储和处理方面具有显着的优势。受人类大脑的启发，神经形态器件得到了广泛关注。相比于电学信号刺激下工作的仿生突触器件，光学信号调制的突触具有高带宽、高抗干扰性和低功耗等优势，更适合超高速计算。此外，光突触器件提供了非接触式写入来实现无线通信的可能。更重要的是，其还有利于模仿真实人眼中的视网膜神经元高阻态，从而进一步实现类人脑的感存算一体功能。另一方面，大脑包含大约1011个神经元和1015个突触，仅在单一器件上实现突触性能远远不足以构建神经网络。高密度阵列集成允许在忆阻器之间建立高效且并行的连接，来模拟生物突触的错综复杂连接。忆阻阵列当中的串扰问题限制了高密度神经形态器件的集成，因此具有防串扰特性的全光学调控忆阻器阵列具有巨大研发意义。
图1 全光控忆阻器阵列示意图
文章亮点
近日，复旦大学陈琳教授团队在Nano 上报道了一种具有自整流特性的全光学调制电导的忆阻器阵列。首先利用能带调制在器件内部建立内建电场，从而实现>104的整流比来抑制器件在阵列集成中的串扰问题，使得器件在阵列中不需要额外的非线性元件如1S1R或1T1R，极大简化工艺流程，进一步降低硬件设计成本。通过蓝光/紫外光脉冲信号的刺激，可使得器件电导可逆地升高/降低，从而实现传统电学忆阻器的set/reset。基于上述性能，研究团队成功通过纯光学脉冲信号调制实现了人脑中突触功能，包括长时程增强、长时程抑制、短期记忆到长期记忆的转变和学习遗忘行为，显示出阵列在光学信号刺激下的感知和学习能力。
图2. 阵列在蓝光/紫外光脉冲作用下实现的突触特性。
除对光学信号刺激有感知的学习能力外，器件还表现出良好的非易失性。在连续光照下，器件的电阻态可在高阻态与低阻态之间切换，并具有超过1000秒的保持特性，实现了阵列在光学信号作用下的信息存储能力。
图3. 阵列在蓝光/紫外光连续照射下表现出的多态存储及阵列均一性。
总结/展望
随着传统的CMOS集成电路尺寸正在接近物理极限，新型神经形态计算器件是一种潜在的解决方案。研究团队制备了一种具有自整流特性的全光调控忆阻器阵列，深入研究了器件在蓝光/紫外光下的响应，通过脉冲/连续光照实现了感存算一体化功能。这项工作对光电神经形态器件的应用提供了一种行之有效的解决路径。
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Self- All- Array for
Chen Lu, Meng*, Jieru Song, Wang, Hao Zhu, Qing-Qing Sun, David Wei Zhang, and Lin Chen*
Nano Lett. 2024, 24, 5, 1667–1672
Date: 19, 2024
© 2024
通讯作者信息
陈琳：复旦大学教授，博士生导师。致力于集成电路新原理器件与工艺领域研究，在新型存储器及存算一体、柔性电子及三维集成技术等方向开展了系列研究工作。已发表高水平论文100余篇，多篇文章在 、 、 、Nano 、IEEE EDL、IEEE TED等国际顶级期刊上发表高阻态，申请发明专利80余项。主持承担国家重点研发计划、国家中长期重大科技专项、国家自然科学基金重大研发、上海市科技行动计划等多个项目或课题。获得国家重大人才工程“青年学者”、上海市“科技启明星”、上海市“晨光计划”等人才计划，获教育部、上海市科学技术奖。
（本稿件来自ACS ）