沈柳楓 胡令祥 康逢文 葉羽敏 諸葛飛3)?

1) (寧波大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,寧波 315211)

2) (中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,寧波 315201)

3) (中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心,上海 200031)

傳統(tǒng)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)在并行性計(jì)算和自適應(yīng)學(xué)習(xí)方面效率較低,無(wú)法滿足當(dāng)前飛速發(fā)展的信息技術(shù)對(duì)高效、高速計(jì)算的迫切需求.受腦啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算具有高度并行性、超低功耗等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是打破傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)局限性,實(shí)現(xiàn)新一代人工智能的理想途徑.神經(jīng)形態(tài)器件是實(shí)施神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的硬件載體,是構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)芯片的關(guān)鍵.與此同時(shí),人類視覺(jué)系統(tǒng)與光遺傳學(xué)的發(fā)展為神經(jīng)形態(tài)器件的研究提供了新的思路.新興的光電神經(jīng)形態(tài)器件結(jié)合了光子學(xué)與電子學(xué)各自的優(yōu)勢(shì),在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域展露出巨大潛力,受到了國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注.本文對(duì)光電神經(jīng)形態(tài)器件及其應(yīng)用的最新研究進(jìn)行了總結(jié).首先綜述了人工光電突觸與人工光電神經(jīng)元,內(nèi)容包括器件結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制以及神經(jīng)形態(tài)功能模擬等方面.然后,對(duì)光電神經(jīng)形態(tài)器件在人工視覺(jué)系統(tǒng)、人工感知系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用作了闡述.最后,總結(jié)了當(dāng)前光電神經(jīng)形態(tài)器件所面臨的挑戰(zhàn),并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

1 引言

自從1936 年圖靈提出圖靈機(jī)計(jì)算模型概念以來(lái)[1],計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展.然而,現(xiàn)有計(jì)算機(jī)主要是基于傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu),受制于處理單元與內(nèi)存單元的物理分離,存在有限的數(shù)據(jù)傳輸效率、高能耗等問(wèn)題,無(wú)法滿足智能化時(shí)代迫切的高算力需求[2,3].相比之下,人腦是一個(gè)具有超低功耗且高效的生物計(jì)算系統(tǒng).憑借事件驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行模式和高度的并行性計(jì)算,人腦在執(zhí)行認(rèn)知、學(xué)習(xí)與決策等復(fù)雜任務(wù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)[4-6].因此,受人腦啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài) (類腦) 計(jì)算被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高效人工智能最有效的途徑之一,受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[7,8].相比傳統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算系統(tǒng),神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)從物理層面模仿人腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式,具有高度的并行性與高效的計(jì)算能力,無(wú)需額外的內(nèi)存單元用于存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)存算一體化.

神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)主要是由人工突觸與人工神經(jīng)元組成.自從20 世紀(jì)80 年代加州理工學(xué)院Mead[9]提出“神經(jīng)形態(tài)”概念以來(lái),神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)在過(guò)去幾十年得到了深入研究.其中,基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (complementary metal oxide semiconductor,CMOS) 技術(shù)構(gòu)造的人工神經(jīng)元與人工突觸電路取得了重要進(jìn)展,諸多性能優(yōu)異的神經(jīng)形態(tài)芯片相繼被報(bào)道.例如,IBM 在2014 年推出的True-North 芯片內(nèi)置了100 萬(wàn)個(gè)人工神經(jīng)元與2.56 億個(gè)人工突觸,使用了54 億個(gè)晶體管,能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算[10].2015 年浙江大學(xué)推出了由30 萬(wàn)個(gè)晶體管構(gòu)成的達(dá)爾文芯片,其可以模擬2048個(gè)神經(jīng)元與400 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)突觸[11].然而,作為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的關(guān)鍵,芯片中單個(gè)神經(jīng)元與突觸功能的實(shí)現(xiàn)往往依賴于由電容及多個(gè)晶體管器件組成的電路模塊,導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,增大了系統(tǒng)能耗,極大限制了芯片的集成規(guī)模與密度.因此,基于傳統(tǒng)CMOS 電路開(kāi)發(fā)的神經(jīng)形態(tài)芯片并不是未來(lái)實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算最有效的方案.

近年來(lái),隨著新型存儲(chǔ)技術(shù)的深入研究,多種新型存儲(chǔ)器件被相繼開(kāi)發(fā),包括憶阻器、Flash 晶體管、相變存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ)器、鐵電存儲(chǔ)器等.這些具備記憶存儲(chǔ)功能器件的發(fā)展使得利用單個(gè)器件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元與突觸功能成為可能 (注:上述能夠模擬神經(jīng)元或突觸功能的器件被稱為神經(jīng)形態(tài)器件[12]).目前,神經(jīng)形態(tài)器件大多采用電信號(hào)驅(qū)動(dòng)[12-14].相比電信號(hào),光具有超高速、寬帶寬和低串?dāng)_等優(yōu)勢(shì).光遺傳學(xué)的研究表明利用光可以有效調(diào)控大腦行為[15],也為構(gòu)建光電神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)奠定了生物學(xué)基礎(chǔ).因此,光電神經(jīng)形態(tài)器件在實(shí)現(xiàn)超低功耗、超高速神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).例如,光電神經(jīng)形態(tài)器件能耗可以低至飛焦量級(jí)[16],顯著低于傳統(tǒng)電子學(xué)器件.維也納工業(yè)大學(xué)Mueller 團(tuán)隊(duì)[17]報(bào)道了一種基于二維材料的神經(jīng)形態(tài)器件,實(shí)現(xiàn)了超快的機(jī)器視覺(jué)技術(shù),構(gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以每秒2000 萬(wàn)個(gè)二進(jìn)制文件的處理速度對(duì)圖像進(jìn)行分類與編碼.

人腦中有大約1011個(gè)神經(jīng)元和1015個(gè)突觸,神經(jīng)元之間依靠突觸進(jìn)行連接和信號(hào)傳遞,以此形成復(fù)雜龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4-6].其中,神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信息的基本結(jié)構(gòu)與功能單元,可以接收來(lái)自前神經(jīng)元釋放的信號(hào)并在胞體中進(jìn)行整合.當(dāng)整合的信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)一定閾值,神經(jīng)元的軸突末梢會(huì)釋放神經(jīng)遞質(zhì),向后神經(jīng)元發(fā)送電化學(xué)信號(hào),以實(shí)現(xiàn)信息的處理與傳遞過(guò)程[18].類似地,光電神經(jīng)元器件接收編碼的光脈沖,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,并對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行整合,當(dāng)累積的電信號(hào)超過(guò)器件轉(zhuǎn)變閾值時(shí),則會(huì)向下一個(gè)神經(jīng)元發(fā)射信號(hào),以此完成信號(hào)傳遞.光電神經(jīng)元器件通常需要同時(shí)具備光信號(hào)探測(cè)與神經(jīng)元累積-發(fā)射功能.豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)Yonezu 等[19]早在1989 年報(bào)道了一種權(quán)重可調(diào)的光電神經(jīng)元電路,實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元間的光學(xué)互聯(lián).此后,諸多研究工作相繼報(bào)道了各種光電耦合的神經(jīng)元電路[20-22],推動(dòng)了光電神經(jīng)元的發(fā)展.不同于傳統(tǒng)的光電神經(jīng)元電路,光電神經(jīng)元器件能夠在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與神經(jīng)元的功能,顯著降低了功耗與信號(hào)傳輸中延時(shí)的問(wèn)題.例如,韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Choi 團(tuán)隊(duì)[23]報(bào)道了一種基于單個(gè)晶體管的光電神經(jīng)元.另一方面,突觸是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元間或神經(jīng)元與效應(yīng)器間信號(hào)傳遞的基礎(chǔ).生物突觸可以通過(guò)電化學(xué)的相互作用引起突觸強(qiáng)度 (權(quán)重)的改變,稱為突觸可塑性.突觸可塑性是大腦實(shí)現(xiàn)信息編碼、學(xué)習(xí)與記憶的基礎(chǔ)[24].因此,開(kāi)發(fā)人工突觸器件,實(shí)現(xiàn)突觸可塑性模擬對(duì)構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)芯片至關(guān)重要.目前人工突觸器件主要是依靠純電信號(hào)驅(qū)動(dòng),而光電突觸器件主要是依賴于光信號(hào)或光電組合信號(hào)實(shí)施突觸功能模擬[25].突觸的權(quán)重可以由器件電導(dǎo)或電阻來(lái)表示.Agnus 等[26]在2010 年開(kāi)發(fā)了一種基于碳納米管的光電晶體管,模擬了生物突觸功能,為人工光電突觸器件的研究奠定了重要基礎(chǔ).此后,基于憶阻器[27-30]、薄膜晶體管[31-34]、相變存儲(chǔ)器[5,35]和鐵電存儲(chǔ)器[36,37]等不同結(jié)構(gòu)的器件相繼被用于光電突觸的模擬.

值得一提的是,人類從外界獲取的信息超過(guò)70%來(lái)自視覺(jué)系統(tǒng)[38],感光功能在生物感知系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位.光電神經(jīng)形態(tài)器件兼具感光和信號(hào)處理功能,對(duì)于構(gòu)建人工視覺(jué)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景.因此,光電神經(jīng)形態(tài)器件在過(guò)去幾年中受到了國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越多的關(guān)注,并取得了系列重要的研究進(jìn)展.

本文對(duì)光電神經(jīng)形態(tài)器件的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理與總結(jié).主要內(nèi)容如圖1 所示,包括:1) 生物神經(jīng)元與生物突觸的工作機(jī)制;2) 光電突觸器件研究進(jìn)展;3) 光電神經(jīng)元器件研究進(jìn)展;4) 光電神經(jīng)形態(tài)器件在人工視覺(jué)系統(tǒng)、人工感知系統(tǒng)和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算三方面的應(yīng)用.基于這些內(nèi)容,最后本文總結(jié)了當(dāng)前光電神經(jīng)形態(tài)器件所面臨的挑戰(zhàn),并展望了其未來(lái)的前景和發(fā)展方向.

圖1 光電神經(jīng)形態(tài)器件的研究進(jìn)展概述[16,23,29,33,39-43]Fig.1.Overview of advances in optoelectronic neuromorphic devices [16,23,29,33,39-43].

2 生物神經(jīng)元與突觸

如圖2(a) 所示,生物神經(jīng)元通常由樹(shù)突、胞體、軸突和軸突末梢組成.其中,樹(shù)突是生長(zhǎng)于胞體上的樹(shù)狀突起,負(fù)責(zé)接收其他神經(jīng)元的刺激信號(hào)并傳遞至胞體;胞體是神經(jīng)元細(xì)胞的代謝中心,同時(shí)可對(duì)傳遞來(lái)的刺激信號(hào)進(jìn)行時(shí)空整合;而軸突與軸突末梢是胞體中延展出來(lái)的管狀纖維組織,負(fù)責(zé)神經(jīng)元信號(hào)的輸出[18].神經(jīng)元先是通過(guò)樹(shù)突接收前神經(jīng)元釋放的信號(hào),然后引起膜電位改變;當(dāng)累積的局部膜電位超過(guò)閾值時(shí),神經(jīng)元細(xì)胞先會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位 (脈沖),隨后通過(guò)軸突將脈沖傳遞至下一個(gè)神經(jīng)元,最終完成神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞[44].突觸是不同神經(jīng)元之間彼此連接的關(guān)鍵部位,其結(jié)構(gòu)如圖2(a) 中插圖所示.當(dāng)突觸前神經(jīng)元的動(dòng)作電位到達(dá)軸突末梢時(shí),位于突觸前膜上由電位控制的鈣離子 (Ca2+) 通道則會(huì)打開(kāi),從而誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流并導(dǎo)致前膜內(nèi)Ca2+濃度急劇增高,進(jìn)而使得含有神經(jīng)遞質(zhì)的囊泡從軸突末梢脫離,最終將神經(jīng)遞質(zhì)釋放至突觸間隙[45].根據(jù)所釋放的神經(jīng)遞質(zhì)作用機(jī)制不同,突觸可分為興奮性突觸和抑制性突觸.對(duì)于前者,神經(jīng)遞質(zhì)與突觸后膜受體相結(jié)合時(shí),位于后膜上特定的離子通道打開(kāi),帶正電的鈉離子 (Na+) 內(nèi)流透過(guò)性顯著提高,由此降低突觸后膜的膜電位,進(jìn)而產(chǎn)生局部的去極化,最終引起興奮性突觸后電位.與上述情形不同的是,抑制性突觸釋放的神經(jīng)遞質(zhì)可顯著提高鉀離子 (K+)的外流及氯離子 (Cl—) 的內(nèi)流,由此提升突觸后膜的膜電位,從而產(chǎn)生超極化并引起抑制性突觸后電位[45,46].圖2(b) 所示的是生物神經(jīng)元隨不同神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)產(chǎn)生的膜電位變化[47].細(xì)胞膜在去極化后,K+外流速率逐漸超過(guò)Na+的內(nèi)流速率,導(dǎo)致膜電位復(fù)極化,恢復(fù)至靜息狀態(tài)[18].

圖2 (a) 生物神經(jīng)元和突觸結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 生物神經(jīng)元隨不同神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)產(chǎn)生的膜電位變化,其中,黑線、紅線和藍(lán)線分別表示神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢?、興奮性突觸后電位和抑制性突觸后電位[47]Fig.2.(a) Schematic illustration of the structure of biological neurons and synapses;(b) membrane potential of biological neurons with different neurotransmitter signals,where the black,red and blue curves denote the neuronal action potential,excitatory postsynaptic potential,and inhibitory post-synaptic potential respectively[47].

突觸可塑性是人腦學(xué)習(xí)與記憶的基礎(chǔ),對(duì)實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)系統(tǒng)的高級(jí)功能具有重要作用[24].突觸可塑性可分為短時(shí)程可塑性 (short-term plasticity,STP)與長(zhǎng)時(shí)程可塑性 (long-term plasticity,LTP)[14,48].其中,短時(shí)程可塑性表現(xiàn)為在受到刺激后突觸權(quán)重僅能保持?jǐn)?shù)秒至數(shù)分鐘的范圍內(nèi),隨后會(huì)逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài),這是生物神經(jīng)系統(tǒng)處理相關(guān)時(shí)空信息的關(guān)鍵功能[49].突觸權(quán)重變化包括暫時(shí)性增強(qiáng)與抑制,稱為短時(shí)程增強(qiáng) (short-term potentiation,STP)與短時(shí)程抑制 (short-term depression,STD)[50].興奮性突觸后電流 (excitatory post-synaptic current,EPSC)、雙脈沖易化 (paired-pulse facilitation,PPF)與雙脈沖抑制 (paired-pulse depression,PPD) 是反映突觸短時(shí)程可塑性的重要功能.PPF 指的是對(duì)于2 個(gè)連續(xù)的脈沖刺激,突觸對(duì)第2 個(gè)刺激比對(duì)第1 個(gè)刺激的反應(yīng)增強(qiáng)的現(xiàn)象.PPD 則與之相反[48].長(zhǎng)時(shí)程可塑性表現(xiàn)為在受到刺激后突觸權(quán)重能夠保持?jǐn)?shù)小時(shí)至數(shù)天不等,其與生物學(xué)習(xí)與記憶功能密切相關(guān).長(zhǎng)時(shí)程可塑性通常分為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng) (longterm potentiation,LTP) 與長(zhǎng)時(shí)程抑制 (long-term depression,LTD)[51].基于長(zhǎng)時(shí)程可塑性的脈沖時(shí)間依賴可塑性 (spike-timing-dependent plasticity,STDP) 規(guī)則與脈沖頻率依賴可塑性 (spike-ratedependent plasticity,SRDP) 規(guī)則在突觸進(jìn)行學(xué)習(xí)行為時(shí)起著重要作用[46,52].

3 光電突觸器件

模擬突觸可塑性功能是實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的關(guān)鍵,其中基于長(zhǎng)時(shí)程可塑性 (LTP/LTD) 的突觸權(quán)重可逆調(diào)控對(duì)構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要[53,54].然而目前報(bào)道的突觸器件主要是利用電信號(hào)驅(qū)動(dòng),面臨功耗高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的發(fā)展.基于光信號(hào)驅(qū)動(dòng)的光電突觸器件在功耗、速度與穩(wěn)定性方面具有很大的優(yōu)勢(shì),有望解決上述挑戰(zhàn).近年來(lái),研究人員基于不同材料、器件結(jié)構(gòu)以及調(diào)控模式研發(fā)出各種新型光電突觸.本部分將以光電突觸器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分,重點(diǎn)闡述器件各自優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)其工作機(jī)制進(jìn)行歸納總結(jié).

3.1 光電憶阻器

憶阻器是除了電容、電感和電阻之外的第4 種基本電路元件,由加利福尼亞大學(xué)Chua 教授[55]于1971 年首次提出.憶阻器電阻狀態(tài)可以通過(guò)流經(jīng)介質(zhì)層的電荷量來(lái)調(diào)控,并具有獨(dú)特的非線性電阻轉(zhuǎn)變特性,被廣泛用于生物突觸功能模擬.目前報(bào)道的憶阻器通常是利用電信號(hào)調(diào)控器件電阻,相比于經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展并且已取得了巨大進(jìn)步的電控憶阻器,光電憶阻器的研究仍處于起步階段.基于器件電導(dǎo)調(diào)控模式的不同,光電憶阻器可進(jìn)一步劃分為光電協(xié)同型和全光型.

3.1.1 光電協(xié)同型

3.1.1.1 光增強(qiáng)-電抑制

光電協(xié)同型憶阻器是指器件電導(dǎo)調(diào)控需通過(guò)光信號(hào)與電信號(hào)的共同作用才能實(shí)現(xiàn).華中科技大學(xué)Guo 團(tuán)隊(duì)[27]在2018 年成功獲得一種基于氧化物異質(zhì)結(jié)的光電憶阻型突觸器件.研究人員利用濺射沉積的方法在Al 襯底上生長(zhǎng)ZnO 薄膜,由于Al會(huì)奪取ZnO 中的氧,兩者界面處形成一層AlOy,進(jìn)而獲得了ZnO1—x/AlOy異質(zhì)結(jié),如圖3(a) 所示.該器件表現(xiàn)出緩變憶阻開(kāi)關(guān)特性和持續(xù)光電導(dǎo)(persistent photoconductivity,PPC) 特性,并在光信號(hào)作用下模擬了多種突觸的可塑性功能.PPC 現(xiàn)象是指器件在光信號(hào)移除之后出現(xiàn)的光電導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)間保持的現(xiàn)象.通過(guò)進(jìn)一步研究和分析,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)器件在310 nm 紫外光照射下所產(chǎn)生的PPC 效應(yīng)源于光載流子在ZnO1—x/AlOy界面處內(nèi)建電場(chǎng)作用下的累積和捕獲.當(dāng)紫外光照射時(shí),光生電子被激發(fā)至導(dǎo)帶,器件電導(dǎo)增加,光生空穴在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下在ZnO1—x/AlOy界面處不斷累積并被AlOy層所捕獲.當(dāng)光照移除后,被捕獲的光生空穴難以在短時(shí)間內(nèi)釋放,進(jìn)而阻礙了與光生電子的復(fù)合,使得器件電導(dǎo)可以長(zhǎng)時(shí)間保持,從而產(chǎn)生PPC 效應(yīng).上述過(guò)程非常類似于生物突觸的長(zhǎng)時(shí)程可塑性,因此常被用于該功能模擬.圖3(b)所示的是突觸的光增強(qiáng)和電抑制過(guò)程.在紫外光脈沖的照射下,器件電導(dǎo)隨時(shí)間持續(xù)增強(qiáng),對(duì)應(yīng)突觸LTP 行為;在施加電脈沖情況下,器件電導(dǎo)隨時(shí)間持續(xù)減小,對(duì)應(yīng)突觸LTD 行為.除此之外,在In2O3/ZnO[56],ZnO/WS2[57],TiNxO2—x/MoS2[58]與MAPbI3[59]憶阻器中,研究人員也相繼利用器件的PPC效應(yīng)模擬了突觸長(zhǎng)時(shí)程可塑性功能.

圖3 基于憶阻器實(shí)現(xiàn)的光電協(xié)同型突觸器件 (a) 基于ITO/ZnO1—x/AlOy/Al 的憶阻器件結(jié)構(gòu)示意圖,插圖為器件橫截面的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像[27];(b) EPSC 隨刺激脈沖發(fā)生的光增強(qiáng)與電抑制過(guò)程[27];(c) 基于MAPbI3 的平面型憶阻器結(jié)構(gòu)示意圖;(d) 光照抑制碘空位形成和加速碘空位湮滅的過(guò)程[28];(e) 基于MAPbI3 的平面型憶阻器在黑暗與光照條件 (可見(jiàn)光,1.29 μW/cm2)下的LTP 與LTD 行為[28];(f) 基于MAPbI3 的垂直型憶阻器結(jié)構(gòu)示意圖[29];(g) 基于MAPbI3 的垂直型憶阻器在光照下內(nèi)部工作機(jī)制示意圖[29];(h) 基于MAPbI3 的垂直型憶阻器在光照與黑暗條件下的電增強(qiáng)與電抑制過(guò)程[29];(i) 基于InAs 量子點(diǎn)的光電憶阻器結(jié)構(gòu)示意圖[63];(j) 基于InAs 量子點(diǎn)的光電憶阻器電導(dǎo)在電壓輔助下的光增強(qiáng)與光抑制過(guò)程[63]Fig.3.Optoelectronic cooperative synaptic devices based on memristor:(a) Structural illustration of memristive device based on ITO/ZnO1—x/AlOy/Al,and the corresponding transmission electron microscope (TEM) image [27];(b) photonic potentiation and electrical depression of stimulated pulses-dependent EPSC[27];(c) structural illustration of planar memristor based on MAPbI3[28];(d) schematic illustration for illustrating how the light inhibits the formation (upper) and accelerates the annihilation (down) of iodine-related vacancies[28];(e) LTP and LTD behaviors of planar memristor based on MAPbI3 under dark condition and upon illumination with a visible light at a power output of 1.29 μW/cm2,respectively[28];(f) structural illustration of MAPbI3-based vertical memristor[29];(g) schematic illustration of the working mechanism of MAPbI3-based vertical memristor under light illumination[29];(h) dependence of electrical potentiation and depression of MAPbI3-based vertical memristor on electrical pulses under dark and light illumination conditions[29];(i) structural illustration of InAs quantum dots (QDs)-based optoelectronic memristor[63];(j) photonic potentiation and depression of the conductance of InAs QDs-based optoelectronic memristor with the assistance of voltage[63].

3.1.1.2 電增強(qiáng)-光抑制

密歇根大學(xué)Lu 團(tuán)隊(duì)[28]在2018 年基于MAPbI3材料制備了一種橫向結(jié)構(gòu)的光電憶阻器,并通過(guò)光照實(shí)現(xiàn)了器件電導(dǎo)降低 (即光抑制),器件結(jié)構(gòu)如圖3(c) 所示.該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,通過(guò)增加MAPbI3中碘空位 (,即帶正電或中性的空位) 的形成能,光照可抑制電場(chǎng)誘導(dǎo)碘空位的產(chǎn)生,并促進(jìn)碘空位的自發(fā)湮滅,如圖3(d) 所示.因此,在光照作用下,器件可以實(shí)現(xiàn)光抑制過(guò)程,模擬LTD 行為,而LTP行為的模擬可通過(guò)電脈沖實(shí)現(xiàn),如圖3(e) 所示.除此之外,研究人員在基于MoSe2/Bi2Se3異質(zhì)結(jié)[60]和HfO2[61]的光電憶阻器中也發(fā)現(xiàn)了類似的“電增強(qiáng)-光抑制”協(xié)同調(diào)控器件電導(dǎo)的特性,并將其用于突觸可塑性模擬.

3.1.1.3 光輔助-電調(diào)控

同樣用MAPbI3材料,高麗大學(xué)Wang 團(tuán)隊(duì)[29]在2019 年制備了垂直結(jié)構(gòu)光電憶阻器,如圖3(f)所示.在該器件中,光照對(duì)內(nèi)部離子遷移的影響與圖3(c) 中平面結(jié)構(gòu)憶阻器相反.這是因?yàn)樵趯?duì)頂電極施加正偏壓時(shí),光照所產(chǎn)生的光生電場(chǎng) (Eph)與外部電場(chǎng) (EExt) 具有相同的方向.如圖3(g) 所示,光生電場(chǎng)可以加速碘空位遷移.圖3(h) 表明該器件在光照下施加0.15 V 電壓脈沖時(shí),器件電導(dǎo)連續(xù)增加.然而,在無(wú)光照下施加—0.28 V 電壓脈沖時(shí),器件電導(dǎo)則會(huì)逐漸降低.由此可見(jiàn),與無(wú)光條件下電導(dǎo)增加和降低的過(guò)程相比,施加光照可起到輔助降低器件編程電壓的作用,進(jìn)而減少運(yùn)行功耗.另外,基于黑磷納米片制備的透明光電憶阻器可在光照下降低器件操作電壓,有利于實(shí)現(xiàn)器件的低功耗操作.同時(shí)光照還可以降低器件電導(dǎo)態(tài),進(jìn)而增大器件開(kāi)關(guān)比.由此可見(jiàn),光照是改善憶阻器性能的有效調(diào)控手段[62].

3.1.1.4 電輔助-光調(diào)控

維爾茨堡大學(xué)Hartmann 團(tuán)隊(duì)[63]在2016 年報(bào)道了一種具有“電輔助-光調(diào)控”的光電憶阻器,如圖3(i) 所示.該器件主要是基于GaAs/AlGaAs 異質(zhì)結(jié)和InAs 量子點(diǎn) (QDs) 制備,其中InAs 量子點(diǎn)生長(zhǎng)在GaAs/AlGaAs 異質(zhì)結(jié)固定位置的的孔洞內(nèi).該器件具有4 個(gè)端口,與傳統(tǒng)兩端憶阻器具有較大差異.器件兩側(cè)增加了柵極,并將柵極與器件漏極相連柵極和漏極用于施加電壓,源極接地.InAs 量子點(diǎn)的引入,改變了異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu).GaAs/AlGaAs 異質(zhì)結(jié)在光照下會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)在不用偏壓作用下充電或放電,從而器件在光照下表現(xiàn)出獨(dú)特的光響應(yīng)特性.例如,在—1.8 V 的偏置電壓輔助下,器件可以在紅外LED 的光脈沖下實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)的增加,而在紅光LED的光脈沖下實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)的減小,如圖3(j) 所示.

3.1.2 全光型

對(duì)于理想的光電憶阻器,器件電導(dǎo)應(yīng)該是全光可逆調(diào)控,即電導(dǎo)的增加和降低均通過(guò)光信號(hào)實(shí)現(xiàn).然而,光電協(xié)同型憶阻器在光信號(hào)作用下只能實(shí)現(xiàn)突觸權(quán)重的單向調(diào)控,要實(shí)現(xiàn)權(quán)值的可逆調(diào)控必須依賴額外的電信號(hào)刺激,導(dǎo)致操作復(fù)雜,功耗升高.此外,電信號(hào)刺激會(huì)引起器件微結(jié)構(gòu)改變和焦耳熱產(chǎn)生,進(jìn)而引起器件穩(wěn)定性惡化.然而,受限于半導(dǎo)體材料自身所固有的光電效應(yīng),通常情況下光信號(hào)只能增大器件的電導(dǎo),想要實(shí)現(xiàn)器件電導(dǎo)的全光可逆調(diào)控是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的挑戰(zhàn).

針對(duì)上述挑戰(zhàn),中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所Zhuge 團(tuán)隊(duì)[30]在2020 年采用制備工藝較為成熟的四元氧化物半導(dǎo)體材料銦鎵鋅氧(InGaZnO,IGZO),在國(guó)際上率先研發(fā)出全光控憶阻器,并成功應(yīng)用于突觸功能模擬.該憶阻器僅僅通過(guò)改變?nèi)肷涔庑盘?hào)的波長(zhǎng),就可實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)態(tài)的可逆調(diào)控,并且調(diào)節(jié)后的電導(dǎo)態(tài)具有非易失性.通過(guò)深入研究表明,全光控憶阻器電導(dǎo)可逆調(diào)控機(jī)制源于光誘導(dǎo)雙層氧化物界面勢(shì)壘寬度的可逆變化.當(dāng)施加短波光時(shí),氧空位的電離作用占主導(dǎo),導(dǎo)致界面處電離氧空位濃度增大,界面勢(shì)壘變窄,隧穿電流增大,進(jìn)而器件電導(dǎo)增大;此后施加長(zhǎng)波光,氧空位的中和作用大于電離,電離氧空位濃度減少,界面勢(shì)壘變寬,隧穿電流減小,進(jìn)而器件電導(dǎo)降低.該全光控憶阻器的工作模式如4(a) 所示,在藍(lán)光和近紅外光脈沖下實(shí)現(xiàn)低電導(dǎo)態(tài)到高電導(dǎo)態(tài) (光SET 過(guò)程) 和高電導(dǎo)態(tài)到低電導(dǎo)態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變(光RESET 過(guò)程).圖4(b)中頂部圖所示的是器件電導(dǎo)在全光信號(hào)調(diào)控下的可逆轉(zhuǎn)變過(guò)程,在波長(zhǎng)420 nm 的光脈沖刺激下實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)增加,在波長(zhǎng)800 nm 的光脈沖刺激下實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)減小.得益于純電子的憶阻轉(zhuǎn)變機(jī)制,該器件表現(xiàn)出非常優(yōu)越的穩(wěn)定性,如圖4(b) 中底部圖所示.此外,為了驗(yàn)證該器件電導(dǎo)全光可逆調(diào)節(jié)的非易失性,分別測(cè)試了SET和RESET 操作后電導(dǎo)狀態(tài)的保持特性,如圖4(c)所示.器件電導(dǎo)表現(xiàn)出先緩慢衰減然后相對(duì)穩(wěn)定,且在104s 后各電導(dǎo)狀態(tài)之間仍可清楚區(qū)分,表明器件具有良好的非易失性.該全光控憶阻器工作所需光信號(hào)的功率密度非常低 (～20 μW/cm2),工作機(jī)制不涉及微結(jié)構(gòu)改變和焦耳熱的產(chǎn)生,為解決憶阻器的穩(wěn)定性難題提供了一條全新的途徑.此外,該器件采用的IGZO 材料,具有優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性,而且為非晶結(jié)構(gòu),在制備過(guò)程中能夠保證優(yōu)越的均一性,有利于器件后續(xù)的大規(guī)模集成應(yīng)用.值得注意的是,大數(shù)據(jù)時(shí)代傳統(tǒng)人工視覺(jué)系統(tǒng)由于視覺(jué)信息的探測(cè)、處理和存儲(chǔ)分離,使其在實(shí)時(shí)處理視覺(jué)信息方面面臨著體積大、速度慢以及功耗高等挑戰(zhàn),而全光控憶阻器具有獨(dú)特的光電響應(yīng),有望利用同一器件實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信息的感/存/算一體化,可用于構(gòu)建新一代人工視覺(jué)系統(tǒng).

圖4 基于憶阻器實(shí)現(xiàn)的全光型突觸器件 (a) 基于IGZO 全光控憶阻器的工作模式[30];(b) 基于IGZO 全光控憶阻器電導(dǎo)可逆調(diào)控特性及循環(huán)穩(wěn)定性[30];(c) 基于IGZO 全光控憶阻器的電導(dǎo)態(tài)保持特性,分別通過(guò)光SET 和光RESET 獲得[30];(d) 基于Ag-TiO2 納米復(fù)合材料的憶阻器在可見(jiàn)光刺激下產(chǎn)生的LTP 行為[64];(e) 基于Ag-TiO2 納米復(fù)合材料的憶阻器在紫外光刺激下產(chǎn)生的LTD 行為[64]Fig.4.All-optical synaptic devices based on memristor:(a) Working mode of all-optically controlled memristor based on IGZO[30];(b) reversible regulation characteristics of conductance (upper) and cycle stability (down) [30];(c) retention characteristics of memconductance states after optical SET (upper) and optical RESET (down) operations[30];visible light-induced LTP (d) and UV lightinduced LTD (e) of the Ag-TiO2 nanocomposite-based memristor[64].

東北師范大學(xué)Liu 團(tuán)隊(duì)[64]在2021 年基于Ag-TiO2納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一種基于表面等離激元效應(yīng)的光電憶阻器.該器件在可見(jiàn)光和紫外光照射下可實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)調(diào)制的突觸可塑性模擬.如圖4(d)和圖4(e) 所示,器件在可見(jiàn)光照射下電流增大,光照撤除后,電流開(kāi)始快速衰減直至趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后的電流值大于初始電流值,器件表現(xiàn)出一定的LTP 特性;器件在紫外光照射下電流同樣先增大,然而當(dāng)光撤除后,電流會(huì)快速衰減到小于初始電流的值,器件表現(xiàn)出一定的LTD 特性.該器件的工作機(jī)制主要是源于可見(jiàn)光誘導(dǎo)的Ag 納米顆粒表面等離激元效應(yīng)與紫外光誘導(dǎo)的TiO2光電導(dǎo)效應(yīng),兩種效應(yīng)的共同作用會(huì)導(dǎo)致Ag 納米顆粒發(fā)生氧化/還原,從而引起突觸權(quán)重的變化.此外,基于ZnO/PbS QDs 異質(zhì)結(jié)的光電憶阻器,可在紫外光照射下模擬突觸LTP 行為,在紅外光照射下模擬突觸的STP 特性[65].

3.2 光電晶體管

晶體管的研究最早可追溯到20 世紀(jì)40 年代.美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一個(gè)實(shí)用的晶體管,為微電子領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基石.1996 年,Mead 教授[66]首次演示了晶體管在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方面的應(yīng)用.神經(jīng)形態(tài)晶體管在模擬生物突觸功能時(shí)表現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì),例如:可同步進(jìn)行信息讀取與學(xué)習(xí),突觸權(quán)重可進(jìn)行高精度調(diào)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有更高的靈活性.此外,多柵極的突觸晶體管在結(jié)構(gòu)上與生物樹(shù)突更為相近,有望實(shí)現(xiàn)生物突觸的高級(jí)功能[67].光電突觸晶體管在傳統(tǒng)電控突觸晶體管的基礎(chǔ)上引入了光信號(hào),拓寬了器件的應(yīng)用領(lǐng)域.根據(jù)器件電導(dǎo)調(diào)控模式的不同,光電突觸晶體管可分為光電協(xié)同型突觸晶體管和全光型突觸晶體管.

3.2.1 光電協(xié)同型

深圳大學(xué)Han 團(tuán)隊(duì)[31]在2019 年報(bào)道了一種基于硒化物納米片的光電晶體管,其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.MoSe2/Bi2Se3/PMMA 復(fù)合膜用作光活性電荷俘獲層,p 型并五苯作為晶體管溝道材料.器件可以在波長(zhǎng)790 nm 的近紅外光照射下表現(xiàn)出明顯的光電流響應(yīng).通過(guò)KPFM 與原位EFM 的測(cè)試,驗(yàn)證了光誘導(dǎo)電子俘獲機(jī)制.器件在近紅外光照射下可以提高M(jìn)oSe2/Bi2Se3/PMMA 俘獲層的電子俘獲能力,因而表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)保持特性.圖5(b) 所示的是器件在不同的近紅外光強(qiáng)度照射下所表現(xiàn)出的長(zhǎng)/短時(shí)程可塑性功能.其中,在波長(zhǎng)790 nm 的近紅外光脈沖下,該器件表現(xiàn)出LTP行為,而在Vgs施加電脈沖時(shí),其能夠?qū)崿F(xiàn)LTD 行為,如圖5(c) 所示.此外,該團(tuán)隊(duì)在基于硫化鉬的浮柵晶體管中也觀察到近紅外光調(diào)控的突觸可塑性行為[68].

除柵極電壓外,漏源極電壓 (Vds) 也可用于調(diào)控晶體管電導(dǎo).中弗羅里達(dá)大學(xué)Thomas 團(tuán)隊(duì)[32]在2020 年報(bào)道了基于石墨烯 (Gr) 和鈣鈦礦量子點(diǎn)(PQDs) 的光電晶體管,利用光照和漏源電壓實(shí)現(xiàn)了器件電導(dǎo)的可逆調(diào)控.圖5(d) 是該器件在藍(lán)光照射和黑暗條件下的輸出特性曲線,器件在光照下的電流明顯高于黑暗環(huán)境.圖5(e) 為器件能帶示意圖,Gr 與PQDs 存在界面勢(shì)壘,產(chǎn)生由PQD 指向Gr 的內(nèi)建電場(chǎng).PQDs 在光照下吸收光子能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分離.其中,光生空穴被轉(zhuǎn)移到Gr 中,電子被輸運(yùn)至PQDs 內(nèi)部.隨著電子在PQDs 不斷累積,引起光柵效應(yīng),使Gr 中產(chǎn)生更多空穴,導(dǎo)致器件電流增加.此光電晶體管表現(xiàn)出了優(yōu)異的電荷傳輸性能、高光響應(yīng)度,以及良好的電導(dǎo)保持特性.圖5(f)展示了器件電導(dǎo)在光脈沖刺激下的連續(xù)增加,模擬突觸LTP 行為,在源極電脈沖作用下,電導(dǎo)逐漸降低,模擬突觸LTD 行為.

圖5 光電協(xié)同型突觸晶體 管 (a) 基 于MoSe2/Bi2Se3 光電晶體管的器件結(jié)構(gòu)[31];(b) 在0.15 mW/cm2 (i) 和1.65 mW/cm2(ii) 功率密度的光脈沖刺激下突觸后電流的變化[31];(c) 基于MoSe2/Bi2Se3 光電晶體管電導(dǎo)的光增強(qiáng)與電抑制過(guò)程[31];(d) 基于Gr-PQDs 的光電晶體管在黑暗與光照(440 nm)條件下的輸出特性曲線,插圖為光電晶體管的示意圖[32];(e) 基于Gr-PQDs 光電晶體管在光激發(fā) (i) 與光柵效應(yīng) (ii) 下的能級(jí)圖,其中VB 和CB 分別表示價(jià)帶與導(dǎo)帶[32];(f) 基于Gr-PQDs 光電晶體管在光電協(xié)同作用下的LTP 與LTD 行為[32]Fig.5.Optoelectronic cooperative synaptic transistors:(a) Schematic illustration of the structure of MoSe2/Bi2Se3-based phototransistor[31];(b) dependence of the change of post-synaptic current on the time after continuously stimulating with the photonic pulses at the light intensity of 0.15 mW/cm2 (i) and 1.65 mW/cm2 (ii) [31];(c) photonic potentiation and electrical depression of the conductance of MoSe2/Bi2Se3-based phototransistor[31];(d) output characteristic curve of the Gr-PQDs-based phototransistor under dark condition and 440 nm light illustration,where the phototransistor structure,as seen in the inset,is also given here[32];(e) schematic illustration of the energy band diagram for Gr-PQDs-based phototransistor under consideration of photoexcitation (i) and photogating effect (ii),where the VB and CB denote valence band and conduction band,respectively[32];(f) LTP and LTD behaviors of Gr-PQDs-based phototransistor under optoelectronic cooperation[32].

除此之外,研究人員基于酞菁銅/對(duì)六苯基[69]、氧化石墨烯[70]、硼摻雜的硅納米晶體[71]、銦鋅氧化物[72]等材料設(shè)計(jì)了具有不同光電特性的光電晶體管,并且通過(guò)光照與電壓協(xié)同作用成功實(shí)現(xiàn)了器件電導(dǎo)的可逆調(diào)控.

3.2.2 全光型

墨爾本皇家理工大學(xué)Walia 團(tuán)隊(duì)[33]在2021 年報(bào)道了一種基于黑磷 (BP) 的光電晶體管,實(shí)現(xiàn)了全光信號(hào)控制下的突觸可塑性功能,器件結(jié)構(gòu)如圖6(a) 所示.該器件可在波長(zhǎng)280 nm 深紫外光照射下實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)的增大,在波長(zhǎng)365 nm 的紫外光照射下實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)的減小,如圖6(b) 和 圖6(c) 所示.BP在機(jī)械剝離過(guò)程中,不可避免會(huì)吸附空氣中的氧氣和水蒸氣,導(dǎo)致BP 表面部分氧化,形成光電子的捕獲中心,導(dǎo)致器件在紫外光照射下電導(dǎo)降低;然而,由于波長(zhǎng)280 nm 深紫外光具有更高能量,器件在該波段照射下產(chǎn)生大量光生載流子,對(duì)光電流的影響占據(jù)主導(dǎo)作用,從而使器件電導(dǎo)增加.基于上述特性,Walia 及其合作者[33]利用波長(zhǎng)280 nm 和365 nm 的紫外光脈沖模擬了突觸的LTP 和LTD行為,如圖6(d) 所示.此外,研究人員基于該器件實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)記憶、圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等功能.同年,天津工業(yè)大學(xué)Zhang 團(tuán)隊(duì)[34]報(bào)道了一種基于芘基石墨炔/石墨烯/硫化鉛量子點(diǎn) (Pyr-GDY/Gr/PbS-QD) 的光電突觸器件,可以在可見(jiàn)光和近紅外作用下實(shí)現(xiàn)器件電導(dǎo)的可逆調(diào)節(jié),如圖6(e) 所示.器件中Pyr-GDY 和PbS-QD 分別作為吸光層和電荷捕獲層,單層Gr 作為溝道層.由于Gr與Pyr-GDY,以及PbS-QDs 與Gr 間的功函數(shù)不同,3 種材料界面處能帶發(fā)生彎曲.器件在藍(lán)光照射下,大部分入射光被頂層的Pyr-GDY 吸收,產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì),光生電子在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)移到Gr,空穴被Pyr-GDY 捕獲.雖然部分入射光會(huì)被底層的PbS-QDs 吸收,并向Gr 溝道中注入空穴,同時(shí)留下的電子被PbS-QDs 捕獲,然而Pyr-GDY 捕獲的空穴數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PbS-QDs 捕獲的電子數(shù)量.因此,Pyr-GDY 引起的正光柵效應(yīng)比PbS-QDs 引起的負(fù)光柵效應(yīng)強(qiáng)得多,導(dǎo)致器件電導(dǎo)降低.相反,器件在近紅外光照射下,底層的PbS-QDs 吸收率更高,大量的光生空穴注入到Gr溝道,從而使電導(dǎo)增大.在此基礎(chǔ)上,該器件可在近紅外光脈沖照射下模擬突觸LTP 行為,在可見(jiàn)光脈沖照射下,模擬突觸LTD 行為,如圖6(g) 所示.

圖6 全光型突觸晶體管 (a) BP 基光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖[33];(b),(c) BP 基光電晶體管在280 nm 與365 nm 波長(zhǎng)光脈沖刺激下的光電響應(yīng)[33];(d) BP 基光電晶體管LTP 與LTD 突觸行為模 擬[33];(e) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD 基光電晶體管結(jié)構(gòu)示意圖[34];(f) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD 基光電晶體管在450 nm 與980 nm 波長(zhǎng)光照射下的能帶圖[34];(g) Pyr-GDY/Gr/PbS-QD 基光電晶體管LTP 與LTD 突觸行為模擬[34]Fig.6.All-optically controlled synaptic transistors:(a) Schematic illustration of the structure of fully light-controlled optoelectronic transistor based on BP[33];(b),(c) optoelectronic response of BP-based optoelectronic transistor upon stimulation with 280 nm (b)and 365 nm (c) light pulses[33];(d) LTP and LTD behaviors of BP-based optoelectronic transistor upon stimulation with 280 nm and 365 nm light pulses[33];(e) schematic illustration of the structure of Pyr-GDY/Gr/PbS-QDs-based optoelectronic transistor[34];(f) mechanistic illustration for the bandgap change of Pyr-GDY/Gr/PbS-QD-based optoelectronic transistor upon illumination with the light wavelengths of 450 nm (left) and 980 nm (right) [34];(g) LTP and LTD behaviors of the Pyr-GDY/Gr/PbS-QD-based optoelectronic transistor[34].

3.3 其他光電器件

長(zhǎng)庚大學(xué)Lai 團(tuán)隊(duì)[73]在2020 年報(bào)道了一種基于二維Bi2O2Se/和Gr 的全光調(diào)節(jié)突觸器件.該器件是由能夠產(chǎn)生正向光電導(dǎo)的Bi2O2Se 基兩端器件與能夠產(chǎn)生負(fù)向光電導(dǎo)的Gr 基兩端器件串聯(lián)而成,如圖7(a) 所示.器件在635 nm 波長(zhǎng)的紅光照射下,Bi2O2Se 的正向光電導(dǎo)效應(yīng)占主導(dǎo)地位,費(fèi)米能級(jí)升高,電導(dǎo)增大.器件在365 nm 波長(zhǎng)的紫外光照射下發(fā)生兩種效應(yīng),即熱輻射效應(yīng)和等離子體激元效應(yīng).一方面,費(fèi)米能級(jí)會(huì)因熱輻射效應(yīng)而降低,導(dǎo)致熱載流子從Bi2O2Se 注入到Gr 中,產(chǎn)生正向光電導(dǎo)效應(yīng);另一方面,Gr 表面吸附的氧離子因等離子體激元效應(yīng)形成氧氣 (O2—→ e—+O2),導(dǎo)致空穴濃度降低,造成Gr 的電導(dǎo)降低,器件產(chǎn)生負(fù)向光電導(dǎo)效應(yīng).該器件可基于正負(fù)光電導(dǎo)效應(yīng)分別模擬生物突觸的EPSC 與抑制性突觸后電流(inhibitory post-synaptic current,IPSC),如圖7(c)所示.此外,該器件在635 nm 和365 nm 波長(zhǎng)的光脈沖刺激下也可實(shí)現(xiàn)突觸LTP 與LTD 行為模擬(圖7(d)).

中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所Wang團(tuán)隊(duì)[39]在2021 年報(bào)道了一種機(jī)械力與光電協(xié)同作用的人工突觸器件,如圖7(e) 所示.該器件是基于Gr/MoS2異質(zhì)結(jié)的光電晶體管與摩擦納米發(fā)電機(jī) (triboelectric nanogenerator,TENG) 集成得到,通過(guò)兩種器件之間的協(xié)同合作,實(shí)現(xiàn)了突觸行為的模擬.將TENG 連接到晶體管的柵極,TENG 移動(dòng)產(chǎn)生摩擦電勢(shì)可作用于突觸晶體管,如圖7(f)所示.當(dāng)摩擦層分離時(shí),Gr 費(fèi)米能級(jí) (EF) 降低,MoS2在光照下產(chǎn)生的光生電子會(huì)注入到Gr 中,Gr 電阻升高,導(dǎo)致器件電導(dǎo)降低.當(dāng)摩擦層靠近時(shí),會(huì)抑制MoS2中光生電子注入Gr,從而有效地控制Gr 與MoS2層之間的電荷轉(zhuǎn)移與交換,實(shí)現(xiàn)光電突觸行為的調(diào)控.圖7(g) 給出了TENG 的輸出電壓 (VTENG) 與摩擦層位移 (D) 關(guān)系,以及VTENG輸出的等效電路圖 (見(jiàn)插圖).TENG 每移動(dòng)—0.1 mm 約相當(dāng)于5 V 的VTENG輸出,器件能夠產(chǎn)生的等效柵壓范圍在—52 V 至60 V 間.當(dāng)摩擦層距離固在1.5 mm時(shí),器件電導(dǎo)在光脈沖刺激下逐漸減小,模擬了突觸LTD 行為;在光脈沖移除后,通過(guò)控制TENG移動(dòng),器件電導(dǎo)會(huì)隨著位移的連續(xù)增加而增加,模擬了突觸LTP 行為.

圖7 (a) Bi2O2Se/Gr 基突觸結(jié)構(gòu)圖[72];(b) Bi2O2Se/Gr 基突觸在紅光 (i) 和紫外光 (ii) 照射下的能帶圖[72];(c) Bi2O2Se/Gr 基突觸在紅光和紫外光照射下的突觸后電流[72];(d) Bi2O2Se/Gr 基突觸在同樣的紅光和紫光光脈沖下實(shí)現(xiàn)突觸LTP 與LTD 行為模擬[72];(e) Gr/MoS2 基突觸結(jié)構(gòu)圖,其中插圖為光電晶體管的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像[39];(f) Gr/MoS2 基突觸與TENG 分離狀態(tài) (i)與接觸狀態(tài) (ii) 的工作原理及相應(yīng)的能帶圖[39];(g) VTENG 隨位移變化曲線,其中插圖為VTENG 輸出的等效電路圖[39];(h) Gr/MoS2基的突觸在光脈沖與TENG 位移脈沖共同作用下實(shí)現(xiàn)的電流增加與降低過(guò)程[39]Fig.7.(a) Structural illustration of synaptic device based on Bi2O2Se/Gr heterojunction[72];(b) mechanism illustration for the bandgap change of this Bi2O2Se/Gr-based synaptic device upon illumination with red (i) and UV light (ii),along with the corresponding post-synaptic current (c) as well as LTP and LTD behaviors (d) stimulated by the same red and UV light [72];(e) schematic illustration of the structure of artificial synapse based on Gr/MoS2 heterostructure and the scanning electron microscope (SEM) image of a phototransistor (inset) [39];(f) working mechanistic principle and the corresponding bandgap illustration for this artificial synapse based on Gr/MoS2 heterostructure at (i) separation state and (ii) contact state with TENG[39];(g) dependence of the variation of VTENG value on the displacement,together with the equivalent circuit illustration for VTENG output (inset) [39];(h) current depression and potentiation of the artificial synapse based on Gr/MoS2 heterojunction[39].

深圳大學(xué)Han 團(tuán)隊(duì)[74]在2020 年報(bào)道了一種基于光伏器件和憶阻器組成的自供電人工視覺(jué)感知系統(tǒng).光伏器件用于感受外界光信號(hào),將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后電信號(hào)作用于傳統(tǒng)電控憶阻器,引起器件內(nèi)部導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂,以此調(diào)控突觸權(quán)重變化.這種自供電系統(tǒng)避免了外部驅(qū)動(dòng)電源,減少了額外的能耗.通過(guò)將光電突觸器件與多種不同功能的器件集成而獲得的新型系統(tǒng)顯著拓展了人工突觸器件的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向.

4 光電神經(jīng)元

神經(jīng)形態(tài)芯片的構(gòu)建,除了需要突觸器件以外,人工神經(jīng)元器件也非常重要.近年來(lái),研究人員在神經(jīng)元器件研究方面取得了不少成績(jī),提出了多種神經(jīng)元模型[75,76].通常情況下,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬神經(jīng)元行為需求解大量微分方程,會(huì)占用大量的處理與內(nèi)存單元,而且耗時(shí)耗能.相比之下,基于硬件實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)元能大幅提升運(yùn)算效率.大規(guī)模電控神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)在計(jì)算過(guò)程中面臨巨量的信號(hào)傳輸,面臨傳輸帶寬、散熱、功耗等問(wèn)題.光信號(hào)具有速度快、超高帶寬以及低串?dāng)_等優(yōu)點(diǎn),并擁有更多的自由度 (含頻率、偏振、模式指數(shù)、強(qiáng)度、統(tǒng)計(jì)、相干性等)[77].因此,光電神經(jīng)元在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸與處理方面具有巨大的潛力,有望在高效、低功耗的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用.相比光電突觸器件,光電神經(jīng)元的研究相對(duì)較少,我們根據(jù)神經(jīng)元間信息傳輸?shù)男盘?hào),將神經(jīng)元分為兩類:1)光輸入-光輸出型神經(jīng)元;2)光輸入-電輸出型神經(jīng)元,并對(duì)這兩種類型的神經(jīng)元的器件結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制以及功能模擬進(jìn)行闡述.

4.1 光輸入-光輸出型

加州理工學(xué)院Psaltis 團(tuán)隊(duì)[40]在1991 年提出了基于砷化鎵 (GaAs) 材料制備的光電神經(jīng)元電路,其結(jié)構(gòu)如圖8 所示.每個(gè)神經(jīng)元單元由發(fā)光二極管 (LED)、驅(qū)動(dòng)LED 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管、負(fù)載晶體管以及光電晶體管組成.用于驅(qū)動(dòng)LED 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是由光電晶體管與負(fù)載晶體管所組成的開(kāi)關(guān)電路控制.當(dāng)光電晶體管檢測(cè)到一定強(qiáng)度的輸入光時(shí),施加在驅(qū)動(dòng)晶體管上的柵極電壓會(huì)相應(yīng)增大,從而促使晶體管開(kāi)啟并驅(qū)動(dòng)LED 產(chǎn)生輸出光.輸出光功率隨輸入光功率的增加呈現(xiàn)非線性增加.該神經(jīng)元電路具有優(yōu)異的光探測(cè)靈敏度,不僅能夠在較弱的輸入光作用下產(chǎn)生高增益的光輸出,而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載晶體管的柵極電壓對(duì)光輸出進(jìn)行調(diào)控.這種非線性輸出特性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中非線性函數(shù)極為相似.該團(tuán)隊(duì)在上述研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)優(yōu)化神經(jīng)元電路的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的神經(jīng)元非線性輸出函數(shù).

圖8 基于砷化鎵的光電神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖[40]Fig.8.Schematic illustration of the structure of photoelectric neuron based on GaAs[40].

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所Shainline 等[22]也提出了一種由半導(dǎo)體發(fā)光二極管與超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器結(jié)合的光電神經(jīng)元電路.該硬件系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)輸入光的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)非線性光的輸出,有望在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中起到重要作用.

4.2 光輸入-電輸出型

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Choi 團(tuán)隊(duì)[23]在2020 年報(bào)道了基于單個(gè)硅基晶體管的光電神經(jīng)元,該硅基晶體管是由浮體、漏源極和柵極組成的垂直柱狀結(jié)構(gòu),如圖9(a) 所示.神經(jīng)元工作原理是基于單晶體管鎖存效應(yīng),如圖9(b)所示.由于漏極寄生電容的存在,當(dāng)輸入電流 (Iin) 施加到漏極時(shí),正電荷會(huì)不斷地聚集在電容器中,導(dǎo)致輸出電壓 (Vout) 隨電荷增加而增加,呈現(xiàn)出線性累積過(guò)程.然而,一旦Vout超過(guò)鎖存電壓 (Vlatch),原本存儲(chǔ)于電容器中的電荷就會(huì)突然從漏極逸出并注入到浮體中,實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元發(fā)射過(guò)程,最終恢復(fù)到初始靜息狀態(tài).與此同時(shí),光照產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在這個(gè)過(guò)程中會(huì)在浮體中不斷積累,進(jìn)而降低Vlatch,使神經(jīng)元脈沖幅值與頻率發(fā)生改變.圖9(c) 所示的是神經(jīng)元在不同光功率下所輸出脈沖隨時(shí)間的變化關(guān)系.雖然該神經(jīng)元的輸出脈沖可以被不同波長(zhǎng)的紅綠藍(lán)光調(diào)控,但其不能被光子能量小于硅帶隙的紅外光調(diào)控.此外,在光源固定的情況下,柵壓也可用于調(diào)控神經(jīng)元的輸出.基于這種光調(diào)控的神經(jīng)元輸出特性,研究人員構(gòu)建了一個(gè)單層感知器,演示了其在圖像模式識(shí)別上的應(yīng)用.

在生物感知神經(jīng)系統(tǒng)中,傷害感受器是必不可少的關(guān)鍵組成部分,它能夠在感測(cè)到傷害刺激時(shí)向中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出快速警示.在模擬生物感覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)方面的研究中,仁川國(guó)立大學(xué)Kim 團(tuán)隊(duì)[78]在2019 年報(bào)道了一種全氧化物基的透明光子傷害感受器.該器件在紫外光脈沖作用前期不會(huì)出現(xiàn)明顯的光電流響應(yīng),然而隨著紫外光脈沖刺激累積到一定時(shí)間,器件光電流急劇變大并最終達(dá)到飽和.這種光電流閾值的轉(zhuǎn)變特性與人眼的感覺(jué)神經(jīng)元功能非常相似.

西安電子科技大學(xué)Wang 團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院微電子研究所Li 團(tuán)隊(duì)[41]在2020 年合作設(shè)計(jì)了一種由IGZO4紫外傳感器和NbOx振蕩神經(jīng)元串聯(lián)而成的人工視覺(jué)神經(jīng)元,器件結(jié)構(gòu)如圖9(d) 所示.該器件不僅可以感知紫外光信息而且可將這些光信息編碼為電脈沖.由于NbOx器件具有易失性的閾值轉(zhuǎn)變特性,基于其所設(shè)計(jì)的Pearson-Anson 電路可進(jìn)行模擬人工神經(jīng)元的振蕩行為.IGZO4器件具有良好的紫外光響應(yīng),電阻值隨著紫外光波長(zhǎng)的減小而減小.圖9(e) 所示的是人工視覺(jué)神經(jīng)元的電路結(jié)構(gòu).該器件在不同波長(zhǎng)的紫外光刺激下會(huì)顯示出4 種穩(wěn)定的尖峰頻率,如圖9(f)所示.基于該人工神經(jīng)元,研究人員構(gòu)建了一種脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),根據(jù)振蕩頻率的不同,可對(duì)復(fù)雜背景圖像進(jìn)行分割,并演示了人工視覺(jué)系統(tǒng)信息編碼功能.

圖9 光電神經(jīng)元器件 (a) 硅基光電神經(jīng)元的TEM 圖[23];(b) 神經(jīng)元器件在加光與撤光條件下的光電響應(yīng)[23];(c) 神經(jīng)元器件在不同功率光照射下的光電響應(yīng)[23];(d) 基于 IGZO4 紫外傳感器和NbOx 振蕩器的人工視覺(jué)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)示意圖[41];(e) 人工視覺(jué)神經(jīng)元在不同光照下的工作模式示意圖[41];(f) 人工視覺(jué)神經(jīng)元在黑暗和不同波長(zhǎng)紫外光照射件下的4 種發(fā)射行為[41]Fig.9.Optoelectronic neuron devices:(a) TEM image of silicon-based optoelectronic neuron[23];(b) optoelectronic response of neuron under light ON and light OFF[23];(c) optoelectronic response of neuron upon stimulation with different light intensity[23];(d) structural illustration for artificial visual neuron composed of IGZO4-based UV sensor and NbOx-based oscillator[41];(e) working mode of artificial visual neuron under different light illumination[41];(f) four different firing behaviors of artificial visual neuron in dark and upon stimulation with different wavelength UV light[41].

5 光電神經(jīng)形態(tài)器件的應(yīng)用

5.1 人工視覺(jué)系統(tǒng)

光電神經(jīng)形態(tài)器件可以直接感受外界光信號(hào),并在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中完成信息處理.這種集信息感知與處理一體化的工作模式與人類視覺(jué)系統(tǒng)極為相似.因此,目前有關(guān)光電神經(jīng)形態(tài)器件應(yīng)用的主要集中于人工視覺(jué)系統(tǒng),用于視覺(jué)信息的感知與存儲(chǔ)、預(yù)處理以及后處理等功能.

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所Shen 團(tuán)隊(duì)[79]在2018年實(shí)現(xiàn)了一種視覺(jué)信息探測(cè)與存儲(chǔ)一體的人工視覺(jué)系統(tǒng).該系統(tǒng)由基于氧化銦的圖像傳感陣列和基于氧化鋁的憶阻器組成,如圖10(a) 所示.其中,圖像傳感器負(fù)責(zé)視覺(jué)信息探測(cè),憶阻器負(fù)責(zé)圖像記憶.中央大學(xué)Park 團(tuán)隊(duì)[80]在2019 年實(shí)現(xiàn)了一種基于IGZO 突觸晶體管和光電傳感器的光控突觸電路.該突觸電路可根據(jù)環(huán)境中光強(qiáng)度的變化調(diào)整負(fù)載柵極電壓,模擬人眼視網(wǎng)膜明適應(yīng)與暗適應(yīng)功能,如圖10(b) 所示.此外,研究人員利用基于鹵化物鈣鈦礦材料的光電器件也實(shí)現(xiàn)了明暗適應(yīng)功能的模擬[81,82].人眼除了能夠感知外界光信號(hào),還可對(duì)不同顏色的光進(jìn)行識(shí)別.成均館大學(xué)Park 團(tuán)隊(duì)[16]在2018 年設(shè)計(jì)了一種基于h-BN/WSe2異質(zhì)結(jié)的人工光電突觸器件,利用該器件在不同波長(zhǎng)光照射下的光電響應(yīng)差異,模擬了人眼的顏色識(shí)別功能,如圖10(c) 所示.除上述功能外,神經(jīng)形態(tài)器件還可用于圖像預(yù)處理功能.傳統(tǒng)圖像傳感器在探測(cè)外界信息時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù),影響圖像處理效率.圖像預(yù)處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)原始圖像的初級(jí)處理,包括圖像去噪、背景扣除、特征提取及邊緣增強(qiáng)等.相比于未處理的原始圖像,預(yù)處理技術(shù)能減少冗余數(shù)據(jù),提高圖像在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的識(shí)別精度和迭代收斂速度.香港理工大學(xué)Chai 團(tuán)隊(duì)[83]在2019 年報(bào)道了一種基于Pd/MoOx/ITO 的光電阻變存儲(chǔ)器 (optoelectronic resistive random access memory,ORRAM),如圖10(d) 所示.器件電導(dǎo)在強(qiáng)光照射下可表現(xiàn)出良好保持性,在弱光照射下,器件電導(dǎo)保持性較差.基于上述原理,研究人員利用ORRAM 陣列實(shí)現(xiàn)了圖像的去噪和增強(qiáng)對(duì)比度等預(yù)處理功能,并通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證了圖像預(yù)處理效果.圖10(e) 展示了基于ORRAM 陣列的圖像預(yù)處理過(guò)程和用于圖像識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.此外,研究人員在基于鈣鈦礦的光電憶阻器與基于IGZO 的光電晶體管中也實(shí)現(xiàn)了圖像對(duì)比度增強(qiáng)與去噪等預(yù)處理功能[74,84].Wu 等[85]基于二階電導(dǎo)轉(zhuǎn)變特性的憶阻器與光敏元件集成制備了一個(gè)光學(xué)預(yù)處理單元,實(shí)現(xiàn)了昏暗環(huán)境下帶噪點(diǎn)二維碼圖像的預(yù)處理.Wang 等[86]基于二維材料范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)制備了具有光響應(yīng)度可調(diào)特性的突觸器件,基于卷積操作實(shí)現(xiàn)了圖像預(yù)處理.

圖10 光電神經(jīng)形態(tài)器件在人工視覺(jué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 (a) 由In2O3 基圖像傳感器與Al2O3 基阻變存儲(chǔ)器構(gòu)建的人工視覺(jué)系統(tǒng)[79];(b) 具有明適應(yīng)與暗適應(yīng)功能的人工視覺(jué)系統(tǒng)[80];(c) 具有顏色識(shí)別功能的h-BN/WSe2 基光電突觸器件[16];(d) MoOx 基ORRAM 結(jié)構(gòu)示意圖,其中插圖為器件橫截面的SEM 圖[83];(e) 基于ORRAM 陣列構(gòu)建的人工視覺(jué)系統(tǒng)[83];(f) 基于二維WSe2 的光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖[17];(g) 基于WSe2 光電二極管實(shí)現(xiàn)的分類器與自編碼器應(yīng)用[17]Fig.10.Optoelectronic neuromorphic devices for artificial vision system:(a) Artificial vision system integrated by image sensor based on In2O3 and resistive random access memory based on Al2O3[79];(b) artificial visual system having the functions of light and dark adaptation[80];(c) h-BN/WSe2 heterojunction-based optoelectronic synaptic device with the function of color recognition[16];(d) schematic illustration for ORRAM structure based on Pd/MoOx/ITO,in which the inset shows the SEM image of the cross section of the device[83];(e) artificial vision system constructed by ORRAM array[83];(f) schematic illustration of photodiode based on two-dimensional (2 D) WSe2 materials[17];(g) applications of 2D WSe2-based photodiode for classifier and autoencoder[17].

圖像預(yù)處理后的圖像還需經(jīng)過(guò)后處理過(guò)程,以實(shí)現(xiàn)圖像的分類、識(shí)別等高級(jí)功能.目前圖像后處理主要是基于深度學(xué)習(xí)算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn).光電神經(jīng)形態(tài)器件的一個(gè)重要應(yīng)用方向便是基于硬件構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以提高圖像后處理效率.光電突觸器件是構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元,在本文第3 節(jié)中我們對(duì)光電突觸器件進(jìn)行了總結(jié).目前報(bào)道的光電突觸器件主要是利用電導(dǎo)可逆調(diào)控實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)重的更新,以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能.例如,Pradhan 等[32]利用光電協(xié)同型突觸晶體管構(gòu)建了脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并基于無(wú)監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別功能.此外,哈佛大學(xué)Ham 團(tuán)隊(duì)[87]在2020 年報(bào)道了一種基于二維MoS2的大規(guī)模光電晶體管陣列,可用于圖像預(yù)處理與后處理.基于此陣列構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了對(duì)MNIST 手寫體數(shù)字庫(kù)識(shí)別,準(zhǔn)確率達(dá)94%.同年,維也納工業(yè)大學(xué)Mueller 團(tuán)隊(duì)[17]在2020 年制備了基于二維WSe2的光電二極管陣列,如圖10(f) 所示.該光電二極管通過(guò)控制柵壓的極性和大小可獲得連續(xù)可調(diào)的光響應(yīng)靈敏度,并以此作為突觸權(quán)重,構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)信息的實(shí)時(shí)探測(cè)與識(shí)別,獲得了超快的信息處理速度.圖10(g) 展示了基于該光電晶體管陣列的兩種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即分類器與自編碼器.基于該硬件人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在識(shí)別精度方面與基于軟件的網(wǎng)絡(luò)處理效果接近.

5.2 人工感知系統(tǒng)

除視覺(jué)系統(tǒng)外,人體還存在諸如觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及嗅覺(jué)等感知系統(tǒng).近年來(lái)光電神經(jīng)形態(tài)器件在其他人工感知系統(tǒng)方面也受到廣泛關(guān)注.阿爾托大學(xué)Dijken 團(tuán)隊(duì)[88]在2020 年設(shè)計(jì)了一種由壓力傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (analog-to-digital converter,ADC)、發(fā)光二極管 (light emitting diode,LED) 與光電突觸器件構(gòu)成的人工觸覺(jué)系統(tǒng),如圖11(a) 所示.其中,壓力傳感器可根據(jù)壓力的變化產(chǎn)生不同幅值的電壓信號(hào),電壓信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (analogto-digital converter,ADC) 后作用于發(fā)光二極管,以此將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào).光信號(hào)作用于光電突觸器件,用于調(diào)控突觸權(quán)重.基于此人工觸覺(jué)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)手寫字母識(shí)別.在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了一種多模態(tài)集成的人工感知系統(tǒng).該系統(tǒng)將多種傳感器與光電突觸集成,實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和味覺(jué)信號(hào)的多模態(tài)信息處理應(yīng)用[42].

除上述之外,延世大學(xué)Cho 團(tuán)隊(duì)[89]在2021 年設(shè)計(jì)了一種由光電二極管、雙電層突觸晶體管、人工神經(jīng)元電路和機(jī)器手臂所組成的人工感知系統(tǒng),如圖11(b) 所示.該系統(tǒng)可以根據(jù)外界光信號(hào)的改變自發(fā)控制機(jī)械手臂,完成指令動(dòng)作.當(dāng)該系統(tǒng)接收到外界光刺激時(shí),光電二極管會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),并作用于突觸晶體管,完成信號(hào)處理與輸出,當(dāng)人工神經(jīng)元接收到此電信號(hào)就會(huì)進(jìn)行決策,并對(duì)機(jī)械臂發(fā)出指令,完成相應(yīng)動(dòng)作.此外,Karbalaei Akbari 等[90]通過(guò)將光電突觸器件與驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合,模擬光刺激誘導(dǎo)的動(dòng)作行為.Zhu 等[91]設(shè)計(jì)了一種發(fā)光憶阻器,通過(guò)壓力傳感器發(fā)出的刺激信號(hào)使憶阻器人工突觸發(fā)出光信號(hào),并作用在后端機(jī)械臂,誘發(fā)產(chǎn)生動(dòng)作行為.Wan 等[92]將光電探測(cè)器與壓力傳感器兩者的信號(hào)作為刺激源,并作用于突觸晶體管,模擬了生物中的多模態(tài)刺激行為.

圖11 光電神經(jīng)形態(tài)器件在人工感知系統(tǒng)中的應(yīng)用 (a) 由壓力傳感器與光電突觸組成的人工神經(jīng)系統(tǒng)[88];(b) 由光電二極管、突觸晶體管以及機(jī)械臂組成的控制系統(tǒng)[89]Fig.11.Optoelectronic neuromorphic devices for artificial sensing system:(a) Artificial system composed of pressure sensors and optoelectronic synapses[88];(b) control system composed of photodiodes,synaptic transistors and robotic arms[89].

5.3 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

5.3.1 非聯(lián)想學(xué)習(xí)

生物體可以通過(guò)不斷調(diào)整個(gè)體行為來(lái)適應(yīng)外界變化的環(huán)境,這種憑借經(jīng)驗(yàn)的調(diào)節(jié)行為被認(rèn)為是一種高級(jí)學(xué)習(xí)功能.經(jīng)驗(yàn)式調(diào)節(jié)行為可分為兩種形式,即非聯(lián)想學(xué)習(xí)與聯(lián)想學(xué)習(xí).其中非聯(lián)想學(xué)習(xí)是生物中不可或缺的自我學(xué)習(xí)與適應(yīng)性行為之一,不需要在外界刺激與機(jī)體反應(yīng)之間形成特定關(guān)聯(lián)[93].對(duì)于某種重復(fù)性刺激,非聯(lián)想學(xué)習(xí)會(huì)表現(xiàn)出兩種不同的反應(yīng)——習(xí)慣化和敏化.習(xí)慣化指生物體對(duì)反復(fù)施加的無(wú)害刺激反應(yīng)逐漸減弱的行為[94].相反,敏化指生物體對(duì)反復(fù)施加的有害刺激反應(yīng)增強(qiáng)的行為[93].華中科技大學(xué)Guo 團(tuán)隊(duì)[95]在2018 年基于MoS2制備的光電憶阻器實(shí)現(xiàn)了非聯(lián)想學(xué)習(xí)中的習(xí)慣化與敏化行為模擬.如圖12(a) 所示,器件在—8 V電脈沖刺激下電流不斷減小,模擬生物體在無(wú)害刺激下的習(xí)慣化行為;在紫外光照射下,器件電流逐漸增大,模擬生物體敏化行為.生物體中的傷害感受器可在受到強(qiáng)烈的有害刺激時(shí),進(jìn)入敏化狀態(tài),以此來(lái)避免環(huán)境中的傷害.仁川國(guó)立大學(xué)Kumar 等[78]在2019 年開(kāi)發(fā)了一種基于ZnO 薄膜的光電器件.該器件可在有害光信號(hào)刺激下發(fā)生敏化行為.當(dāng)再次受到傷害后,器件可對(duì)有害光信號(hào)刺激具有更高的敏感性,呈現(xiàn)出超敏 (allodynia) 和過(guò)敏 (hyperalgesia) 行為,見(jiàn)圖12(b).此外,有研究人員在基于ZnO 納米線[96]、CeO2—x[97]、TiO2/Ga2O3[98]、Azo-Au納米顆粒[99]等材料制備的光電器件中也發(fā)現(xiàn)了類似的習(xí)慣化或敏化等非聯(lián)想學(xué)習(xí)行為.

圖12 光電神經(jīng)形態(tài)器件在非聯(lián)想學(xué)習(xí)中的應(yīng)用 (a) MoS2 基光電憶阻器模擬習(xí)慣化與敏化行為[95];(b) ZnO 基光電器件模擬敏化行為[78]Fig.12.Nonassociative learning based on optoelectronic neuromorphic devices:(a) Simulation of habituation and sensitization behaviors using the MoS2-based optoelectronic memristor[95];(b) simulation of sensitization behavior using the ZnO-based optoelectronic device[78].

5.3.2 聯(lián)想學(xué)習(xí)

聯(lián)想學(xué)習(xí)屬于大腦中的一個(gè)高階學(xué)習(xí)行為,大腦通過(guò)學(xué)習(xí)2 個(gè)或2 個(gè)以上事件,建立它們之間的關(guān)系,并產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的反應(yīng).巴普洛夫條件反射是一種典型的聯(lián)想學(xué)習(xí)行為[100].近年來(lái),研究人員發(fā)現(xiàn)光電神經(jīng)形態(tài)器件可以很好地模擬這種經(jīng)典聯(lián)想學(xué)習(xí)行為.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究所Wang 團(tuán)隊(duì)[101]在2021 年報(bào)道了一種基于二維過(guò)渡金屬硫化物的光電憶阻器,利用光調(diào)控阻變特性成功模擬了巴普洛夫?qū)嶒?yàn).如圖13(a) 所示,使用脈寬為50 ms 和間隔為450 ms 的電脈沖刺激作為條件反射信號(hào) (搖鈴),波長(zhǎng)為400 nm 的持續(xù)光刺激作為非條件發(fā)射信號(hào) (喂食).單獨(dú)的電脈沖刺激產(chǎn)生的電流在剛開(kāi)始階段無(wú)法達(dá)到閾值,對(duì)應(yīng)小狗不會(huì)產(chǎn)生分泌唾液的行為;同時(shí)施加電脈沖和光照一段時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)單獨(dú)施加電脈沖刺激可產(chǎn)生超過(guò)閾值的電流,對(duì)應(yīng)小狗因發(fā)生條件反射而分泌唾液;經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的無(wú)條件刺激之后,電脈沖無(wú)法產(chǎn)生超過(guò)閾值的電流,對(duì)應(yīng)小狗對(duì)鈴聲不會(huì)產(chǎn)生條件反射,恢復(fù)至初始狀態(tài).除此之外,Ahmed 等[102]基于BP 的光電突觸器件在全光信號(hào)控制下模擬了巴普洛夫?qū)嶒?yàn),如圖13(b) 所示.研究人員分別使用波長(zhǎng)為280 nm 和660 nm 的光脈沖作為非條件刺激和條件刺激.單獨(dú)施加660 nm 的光脈沖信號(hào)作為搖鈴刺激時(shí),產(chǎn)生的光電流無(wú)法超過(guò)閾值,對(duì)應(yīng)小狗不會(huì)產(chǎn)生流涎反應(yīng);單獨(dú)施加280 nm 的光脈沖信號(hào)作為食物刺激時(shí),產(chǎn)生的光電流超過(guò)閾值,對(duì)應(yīng)小狗會(huì)產(chǎn)生流涎反應(yīng);同時(shí)施加搖鈴刺激與食物刺激,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間訓(xùn)練后,小狗對(duì)單獨(dú)的搖鈴刺激也會(huì)產(chǎn)生條件反射.

圖13 光電神經(jīng)形態(tài)器件在聯(lián)想學(xué)習(xí)模擬中的應(yīng)用 (a) 光電協(xié)同刺激實(shí)現(xiàn)的巴普洛夫?qū)嶒?yàn)[101];(b) 全光刺激實(shí)現(xiàn)的巴普洛夫?qū)嶒?yàn)[102]Fig.13.Associative learning based on optoelectronic neuromorphic devices.Paplov's experiment realized by optoelectronic co-stimulation[101] (a) and by all-optical stimulation[102] (b).

5.3.3 STDP

STDP 作為赫布學(xué)習(xí)規(guī)則的一種,表示的是突觸連接強(qiáng)度變化 (Δw) 與前后神經(jīng)元發(fā)射脈沖時(shí)間間隔 (Δt) 的關(guān)系[103].大量的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)證明了STDP 與人腦學(xué)習(xí)規(guī)則相似[104,105].STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則的函數(shù)表達(dá)式為[106]

式中A±與τ±分別代表的是函數(shù)縮放因子與時(shí)間常數(shù).根據(jù)STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則,如果前神經(jīng)元脈沖出現(xiàn)在后神經(jīng)元脈沖的峰值之前,Δt為正,Δw 的極性為正,突觸權(quán)重表示為增強(qiáng)效果;如果前神經(jīng)元脈沖出現(xiàn)在后神經(jīng)元脈沖的峰值之后,Δt為負(fù),Δw 的極性為負(fù),突觸權(quán)重表示為抑制效果.

光電神經(jīng)形態(tài)器件可用于STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則模擬,并可以通過(guò)改變光脈沖信號(hào)的寬度、個(gè)數(shù)及光功率密度實(shí)現(xiàn)STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則的有效調(diào)控.中興大學(xué)Lin 團(tuán)隊(duì)[43]在2021 年設(shè)計(jì)了基于ReSe2/h-BN/Gr 異質(zhì)結(jié)的光電晶體管,通過(guò)光信號(hào)與電信號(hào)的協(xié)同控制模擬了STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則 (見(jiàn)圖14(a)).此外,中國(guó)科學(xué)院寧波材料所Zhuge 團(tuán)隊(duì)[30]制備了基于IGZO 的全光控憶阻器,僅通過(guò)調(diào)控光信號(hào)波長(zhǎng)和脈沖個(gè)數(shù),即可實(shí)現(xiàn)STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則的模擬,如圖14(b)中圖(i)所示.該憶阻器實(shí)現(xiàn)STDP 模擬的操作機(jī)制如圖14(b)中圖(ii),(iii) 所示,其中藍(lán)光脈沖作為突觸前刺激,近紅外光脈沖作為突觸后刺激.圖(ii) 在藍(lán)光脈沖刺激后施加近紅外光脈沖的刺激,即Δt＞0,相應(yīng)的突觸權(quán)重表現(xiàn)出增強(qiáng)效果;圖(iii) 在施加近紅外光脈沖刺激后施加藍(lán)光脈沖刺激,即Δt＜0,突觸權(quán)重表現(xiàn)出抑制效果.

圖14 光電神經(jīng)形態(tài)器件在STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則模擬中的應(yīng)用 (a) 基于ReSe2/h-BN/Gr 光電晶體管實(shí)現(xiàn)的四種STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則[43];(b) 基于全光控憶阻器實(shí)現(xiàn)的STDP 學(xué)習(xí)規(guī)則[30]Fig.14.STDP learning rules based on optoelectronic neuromorphic devices:(a) Four STDP learning rules based on ReSe2/h-BN/Gr phototransistors[43];(b) STDP learning rules based on all-optically controlled memristor[30].

6 總結(jié)與展望

人工突觸與神經(jīng)元器件是構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)芯片的基本單元,為實(shí)現(xiàn)低功耗、高效的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算提供了新的思路.然而,現(xiàn)有神經(jīng)形態(tài)器件的研究主要集中于純電控突觸和神經(jīng)元,在功耗及功能應(yīng)用方面還同人腦具有很大差距,限制了神經(jīng)形態(tài)芯片的發(fā)展.新興的光電神經(jīng)形態(tài)器件可以兼具光子學(xué)、電子學(xué)及生物學(xué)的研究特色,在降低器件功耗、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn).本文綜述了近年來(lái)光電突觸器件與光電神經(jīng)元器件取得的系列研究進(jìn)展,從器件結(jié)構(gòu)、材料體系、工作模式、機(jī)理解釋等方面進(jìn)行了重點(diǎn)闡述,并詳細(xì)介紹了其在人工視覺(jué)系統(tǒng)、人工感知系統(tǒng)與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用.光電神經(jīng)形態(tài)器件經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展取得了諸多重要進(jìn)展,然而仍處于研究的初期階段,在光敏材料合成、器件/陣列構(gòu)筑以及功能應(yīng)用等方面面臨諸多關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn).

首先在材料制備方面.目前用于光電神經(jīng)形態(tài)器件的光敏材料主要分為氧化物半導(dǎo)體材料、鈣鈦礦材料及新型二維材料.其中氧化物半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性、良好的光電特性及較為成熟的制備工藝,有利于器件的大規(guī)模集成.因此,基于氧化物半導(dǎo)體材料的光電神經(jīng)形態(tài)器件研究最為廣泛,取得了系列重要研究進(jìn)展.然而,因受其帶隙限制,氧化物半導(dǎo)體往往只對(duì)紫外光具有高效響應(yīng),而在可見(jiàn)及紅外波段響應(yīng)較差或者不響應(yīng),限制了器件的應(yīng)用場(chǎng)景.因此,開(kāi)發(fā)具有寬光譜高效響應(yīng)的氧化物半導(dǎo)體材料,是未來(lái)該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一.除了傳統(tǒng)氧化物半導(dǎo)體材料,以鈣鈦礦和低維材料為代表的新型光敏材料因其具有優(yōu)異的光電特性,在光電神經(jīng)形態(tài)器件上也得到廣泛關(guān)注.雖然新型光敏材料在一定程度上提高了器件光響應(yīng)度、拓寬了響應(yīng)波長(zhǎng)范圍,然而由于其制備工藝不成熟,難以保證器件的穩(wěn)定性和重復(fù)性,給未來(lái)器件大規(guī)模集成應(yīng)用帶來(lái)很大挑戰(zhàn).

然后是器件/陣列構(gòu)筑方面.光電神經(jīng)形態(tài)器件經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展,雖然在突觸與神經(jīng)元功能模擬上取了許多重要成果,然而絕大部分研究還停留在單一器件的改性以及簡(jiǎn)單類腦功能的模擬上,很少涉及包含多個(gè)器件的硬件網(wǎng)絡(luò),這些工作離構(gòu)建最簡(jiǎn)單的神經(jīng)形態(tài)芯片還有很遠(yuǎn)的距離.限制器件集成應(yīng)用的因素主要有以下幾個(gè)方面.1) 器件穩(wěn)定性.光電神經(jīng)形態(tài)器件的大規(guī)模集成應(yīng)用,需要器件與器件之間以及單個(gè)器件不同循環(huán)之間具有優(yōu)異的均一性和穩(wěn)定性.然而目前光電神經(jīng)形態(tài)器件的研究還處于初級(jí)階段,器件工作機(jī)制不明確、制備工藝不成熟,使得器件性能還無(wú)法滿足大規(guī)模集成的要求.2) 器件能耗.人類大腦功能強(qiáng)大,功耗只有 20 W 左右,單個(gè)突觸行為的能耗更是僅約為10 fJ,然而目前開(kāi)發(fā)的光電神經(jīng)形態(tài)器件能耗普遍在微焦量級(jí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生物突觸和神經(jīng)元,高能耗問(wèn)題嚴(yán)重制約了器件的集成密度.3) 全光調(diào)控.對(duì)于理想的光電神經(jīng)形態(tài)器件應(yīng)該是可全光調(diào)控的,即可以直接利用外界光信號(hào)驅(qū)動(dòng)實(shí)施功能模擬,以此簡(jiǎn)化操作方式、降低能耗.然而目前報(bào)道的光電神經(jīng)形態(tài)器件往往需要光信號(hào)和電信號(hào)的共同作用,不僅增加了操作復(fù)雜性、帶來(lái)了高能耗,而且會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱,影響器件穩(wěn)定性.雖然近期報(bào)道了有關(guān)全光控憶阻器、晶體管的研究工作,但全光控技術(shù)依然存在諸多挑戰(zhàn),需進(jìn)一步深入研究.4) 光信號(hào)引入方案.光電神經(jīng)形態(tài)器件在工作過(guò)程中往往需要實(shí)現(xiàn)各個(gè)器件的獨(dú)立光信號(hào)控制,例如基于光電突觸器件的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程中,需要根據(jù)目標(biāo)不斷利用光信號(hào)調(diào)控每個(gè)突觸器件的權(quán)值.然而目前報(bào)道的實(shí)施方案,主要是利用LED、氙燈、激光器等光源非集成式地照射器件,只能用于對(duì)單個(gè)器件以及多個(gè)器件組成的簡(jiǎn)單陣列的控制,而無(wú)法用于大規(guī)模陣列.因此,如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列中每個(gè)器件的獨(dú)立光信號(hào)控制具有很大的挑戰(zhàn).值得慶幸的是,各種新型顯示技術(shù)以及光波導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展,給這一問(wèn)題提供了新的思路.實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)或LED 與光電神經(jīng)形態(tài)器件的無(wú)縫集成是解決光信號(hào)引入的有效方案,值得進(jìn)一步研究.

最后是功能應(yīng)用方面.光電神經(jīng)形態(tài)器件雖然在視覺(jué)模擬、人工感知系統(tǒng)以及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等方面得到初步應(yīng)用,然而在應(yīng)用功能上還很簡(jiǎn)單,主要是基于突觸和神經(jīng)元的部分功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單圖像的探測(cè)、預(yù)處理與記憶等,要實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜功能(例如,圖像識(shí)別) 必須借助軟件算法和傳統(tǒng)電路.器件穩(wěn)定性以及器件之間的性能差異等所帶來(lái)的諸多非理想因素會(huì)影響了器件功能模擬的精度,也成為限制器件復(fù)雜應(yīng)用的重要原因.此外,對(duì)于理想的光電神經(jīng)形態(tài)器件不僅可以完成光信息的探測(cè),而且實(shí)時(shí)處理探測(cè)到的信號(hào),并將處理后的結(jié)果原位存儲(chǔ),這一特性對(duì)構(gòu)建感/存/算一體化的新型人工視覺(jué)系統(tǒng)具有重要意義.然而目前報(bào)道的光電神經(jīng)形態(tài)器件只能實(shí)現(xiàn)一些初級(jí)的感/存/算一體化,有待進(jìn)一步探索.

總之,在人類社會(huì)智能化技術(shù)飛速發(fā)展的今天,光電神經(jīng)形態(tài)器件的研究即面臨重大發(fā)展機(jī)遇,又存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn).構(gòu)建性能優(yōu)異、功能多樣以及超低能耗的光電神經(jīng)形態(tài)器件,實(shí)現(xiàn)器件在神經(jīng)形態(tài)芯片中的大規(guī)模集成應(yīng)用需要國(guó)內(nèi)外研究者的共同努力.希望在不久的將來(lái),這一目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn).