中南大學Appl. Phys. Rev.: 超低功耗不對稱肖特基勢壘晶體管

研究背景：

視覺感知系統是生物與環境互動的基礎，使其能夠收集信息并產生生存和繁殖所必需的適應性反應。值得注意的是，選擇性記憶和適應是最獨特和最基本的視覺行為之一，是視覺系統有效運作的基礎。在生物學上，生物神經網絡可以同時感知、記憶和處理光信息，具有高效率，低能耗和高容錯率等特點。然而，基于傳統馮·諾依曼架構的固態硬件很難實現這些仿生視覺行為。目前，基于二維材料的光電晶體管已經證明了具有仿生視覺適應的能力，為下一代人工視覺系統奠定了基礎。但仍有一些關鍵問題有待解決，如優化適應過程、提高記憶效率和最優化能耗。因此，從底層器件概念出發，需要進一步發展新型器件架構，以超越傳統的人類視覺功能。

創新成果：

近日，中南大學物理學院蔣杰課題組在著名期刊Applied Physics Reviews上發表題為“Reconfigurable Graded Adaptive Asymmetry-Schottky-Barrier Phototransistor for Artificial Visual System with zJ-Energy Record”的研究性論文。該研究主要提出一種通過不對稱肖特基勢壘，實現超低功耗和高級仿生功能的不對稱電極器件架構策略。這種肖特基勢壘可以通過柵極或漏極偏置進行有效調節，從而調控MoS₂溝道的載流子輸運。由于采用了新的器件結構，不對稱肖特基勢壘晶體管可以模擬視覺選擇性記憶行為，并表現出每個突觸事件約90 zJ的超低能耗。更重要的是，有趣的視覺靈敏度和脫敏可以在該器件中模擬，從而實現分級適應行為。該研究為具有低能耗、環境自適應和動態視覺感知性能的自動駕駛汽車和環境交互機器人的未來發展提供了重要借鑒。

????

本文亮點：

要點一：提出新型不對稱電極器件架構用于構建不對稱肖特基勢壘

基于創新性的不對稱電極器件架構（源極采用Ni/Au、漏極采用Pd），我們成功在二維MoS₂表面構建出差異化的不對稱肖特基勢壘結構——該設計通過不同功函數金屬的精準匹配，在源/漏界面形成能帶梯度，不僅顯著抑制暗電流實現超低功耗，更高效驅動光生載流子定向分離以提升響應速度，并通過空間分辨光電流成像技術直接驗證了勢壘不對稱性的物理機制。此外，這種獨特的肖特基勢壘界面能有效的捕獲電荷，從而模擬生物記憶行為，同時在實現生物適應功能上也具有重要價值。

圖1. 晶體管制備工藝和電學特性

圖2. 不對稱肖特基勢壘晶體管的KPFM表征和能帶原理圖

?

要點二：實現超低功耗和選擇性視覺記憶模擬

基于不對稱肖特基勢壘的獨特性能，該器件成功模擬了生物視覺的選擇性記憶行為：在正偏置下突觸記憶效果保持強度無關的穩定性，而負偏置下則呈現記憶衰減趨勢，精準復現了生物系統對關鍵信息的篩選機制。同時，器件在正/負偏置下分別展現出線性和指數型的EPSC可重構調控特性，實現了神經形態計算的動態適應性。突破性的是，肖特基勢壘結構使器件達到創紀錄的90 zJ單突觸功耗，為超低功耗神經形態視覺系統奠定了硬件基礎。

圖3. 超低功耗突觸事件和視覺選擇性記憶行為

要點三：實現可重構的分級適應行為

基于正負偏置下不對稱肖特基勢壘的動態調控特性，該器件成功實現了可重構的生物分級適應行為——在復雜環境中精準平衡感知靈敏度與識別準確度。更重要的是，通過光-電協同刺激策略，器件完整復現了生物視網膜的核心適應機制：包括毫秒級響應的快適應、持續調節的慢適應以及環境感知驅動的周圍適應。這一突破不僅實證了選擇性記憶與分級適應理論的可行性，更為開發仿生自適應視覺系統開辟了器件級實現新路徑。

圖4. 可重構的分級適應行為

圖5. 光電協同的適應行為

結論：

總之，該研究通過構建不對稱電極結構的肖特基勢壘光電晶體管，實現了偏壓極性/幅度對勢壘特性的動態調控，成功模擬生物視覺系統的選擇性記憶與分級適應行為：器件憑借肖特基勢壘對暗電流的有效抑制及光生載流子分離效率的顯著提升，創下單突觸事件~90 zJ的超低能耗現有記錄；借助偏置電壓調控，光激發興奮性突觸后電流（EPSC）呈現線性/指數雙模可重構特性，其中正偏壓實現關鍵信息的長時記憶存儲，負偏壓誘導干擾信息的主動遺忘，精準復現生物視覺篩選機制；進一步通過調節偏置電壓極性，在硬件層面實現了雙通道負反饋調控的分級適應行為（動態平衡靈敏度/準確度）及脫敏-自恢復視覺適應功能。該工作為開發基于二維材料的可重構神經形態視覺芯片提供了新范式。

中南大學物理學院博士生宋泓霖為論文第一作者；中南大學物理學院蔣杰教授為通訊作者。特別感謝中南大學物理學院周瑜教授和鐘綿增教授團隊在器件表征方面的支持。