浙江大學ACS Applied Materials ＆ Interface：非晶InAlZnO基光電人工突觸器件

kongxy 8個月前 (02-21) 1179瀏覽

 

  1. 導讀

在過去的半個世紀里，基于馮·諾依曼系統的計算機發展迅速，但其存在內存與處理器分離、功耗高、無法自我學習和進化等缺點。而人腦有充足的內存空間，可以進行高速運算，具有存儲計算合一、超低功耗、自我學習、對未來事件做出預測等特點。模擬大腦功能的神經形態計算是解決“馮·諾依曼瓶頸”的關鍵之一。神經形態計算的實現在很大程度上依賴于突觸器件的發展。許多使用電信號進行突觸性能模擬的設備已經被報道。人類通過視覺系統感知和學習新的事件。光控人工突觸裝置可以模擬人類的學習記憶過程，并具有低功耗低延遲的優點。此外，光信號具有高速、高帶寬、低串擾的特點，因此光控人工突觸裝置的穩定性會優于電控人工突觸裝置。

  1. 成果掠影

浙江大學葉志鎮院士團隊的呂建國課題組等采用脈沖激光沉積和電子束蒸發設備值得了非晶InAlZnO基光電人工突觸器件。研究了器件興奮性突觸后電流(EPSC)、短期可塑性(STP)、成對脈沖易化(PPF)和長期可塑性(LTP)等光電突觸的基本性質。當時間間隔為0.1 s時，PPF指數達到155.8%。每個事件的能量消耗為2.45pJ，大大低于普通MOS器件和其他光控突觸器件。通過三指數函數擬合了光電流衰減曲線，大的弛豫時間表明我們的器件具有低衰減率和很好的突觸可塑性。另外，通過調節柵極電壓模擬不同情緒下的學習過程，充分模擬了該裝置的學習能力。對于推動用于神經形態計算的高性能光電突觸器件的發展具有重要意義。

  1. 核心創新點
  • 本工作展示了一種結構簡單、制造工藝簡單、能耗低、突觸可塑性好的a-IAZO光電人工突觸器件；
  • 除了基本的突觸性能以外，我們通過三指數函數擬合了LTP光電流衰減曲線，弛豫時間長，表明了我們的器件具有很好的突觸可塑性；
  • 能耗為45pJ，大大低于普通MOS器件和其他光控突觸器件；
  • 通過改變柵極電壓，模擬不同情緒下的學習行為。
  1. 數據概覽

圖1 a)由一個光刺觸發的EPSC。光脈沖的波長和持續時間分別為375 nm和0.2 s。b)一個1秒的光脈沖觸發的EPSC。c)一個持續1秒的光脈沖EPSC的衰減。光脈沖的波長為375 nm。d)不同持續時間的一個光峰值觸發IDS的變化。e)由一對持續0.2 s的光刺激觸發的EPSC。兩次峰值之間的時間間隔(Δt)為0.2 s。f) PPF指數對Δt的依賴性。所有的測量都是在VD=0.3 V；VG=0 V時實現的，光功率密度為0.1mW/cm2。

 

器件展現了光控突觸器件的短時程突觸可塑性（STP），當時間間隔為0.1 s時，PPF指數為155.8%，單個事件的能耗為2.45 pJ。

 

圖2 a)光照下載流子行為示意圖。b)光照后載流子行為示意圖，灰色球的位置表示復合前光生電子在界面中的位置。

 

機理解釋：突觸性能歸因于界面處光生電子的捕獲與釋放。

 

圖3 a)從STP到LTP的轉變。b)對比光強為0.05 mW/cm2和0.24 mW/cm2時，ΔIDS對光密度的依賴關系。c)-d) ΔIDS對光脈沖數的依賴關系。e) τ1、τ2、τ3與脈沖數的關系。f) 30個光尖在不同光尖頻率下觸發的ΔIDS。g)增益(A30/A1)對頻率(0.1 Hz, 0.5 Hz, 1hz)的依賴性。h) ΔIDS在不同光頻率下對脈沖數的依賴關系。i)不同頻率(0.1 Hz、0.5 Hz、1hz、2hz)的衰減曲線。所有的測量都是在VD=0.3 V；VG=0 V時實現的，光功率密度為0.1mW/cm2(圖b除外)。

 

器件展現了光控突觸器件的長時程突觸可塑性（LTP），衰減曲線可以用一下三指數衰減公式擬合：

當脈沖數為5時，衰減指數τ2達到了277s。

 

圖4 a)人腦學習模型。b)模擬學習-遺忘-再學習-遺忘行為。Ⅰ:第一個學習過程。Ⅱ:第一個遺忘過程。Ⅲ:重新學習的過程。Ⅳ:第二個遺忘過程。測量是在VD=0.3 V；VG=0 V時實現的，光功率密度為0.1mW/cm2。

 

圖5 不同柵極電壓a) -1 V, b) -2 V和c) -4 V的光脈沖下的EPSC；d) 單刺激下ΔIDS對柵極電壓的依賴。e)和f) 由10個光峰值觸發的ΔIDS對柵極電壓的依賴。g)模擬不同情緒下的學習效率和遺忘率(假設學習字母“L”行為)。所有測量均在VD=0.3 V時實現，光功率密度為0.24mW/cm2。

 

我們可以模擬情緒對學習-遺忘過程的影響，如圖5d所示。與積極情緒(VG=-1V)和中性情緒(VG=- 2V)相比，具有消極情緒(VG=- 4V)的人對字母“L”只有模糊的印象，并具有很快的遺忘速度。相反，當一個人有積極的情緒(VG=-1V)，在30秒后仍然對字母“L”具有較深刻的記憶。

 

  1. 成果啟示

利用ITO/ a-IAZO /SiO2/n++Si結構的TFT型突觸模擬人腦突觸性能。模擬了突觸的EPSC、PPF等基本性質，以及從STP到LTP的轉變。單個事件的能量消耗僅為2.45pJ，遠低于普通MOS器件和其他光控突觸器件。該突觸裝置具有良好的突觸可塑性。50次光脈沖刺激后，突觸衰減曲線的松弛時間達到576 s，這意味著突觸需要很長的遺忘時間。同時也模擬了人類的重復學習行為。此外，我們通過調節柵極電壓，模擬了不同情緒對人類學習效率和遺忘率識別的影響。本工作展示了一種結構簡單、制造工藝簡單、能耗低、突觸可塑性好的光電人工突觸器件，有助于促進用于神經形態計算的高性能光電突觸器件的發展。

相關論文發表在ACS Applied Materials ＆?Interfaces上，浙江大學楊汝琪博士為論文第一作者，呂建國副研究員、皮孝東教授、諸葛飛研究員、葉志鎮院士為通訊作者。

 

論文信息

Optoelectronic artificial synaptic device based on amorphous InAlZnO films?for?learning simulations

Ruqi Yang, Lei Yin, Jianguo Lu,?Bojing Lu,?Xiaodong Pi,?Siqin Li,?Fei Zhuge, Yangdan Lu, Wenyi Shao and?Zhizhen Ye

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c14029

DOI: 10.1021/acsami.2c14029

本文由作者供稿

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