面向神经形态计算的新型硅基异质结光电神经突触器件: 浙江大学杨德仁院士和皮孝东教授团队新进展
最近，浙江大学杨德仁院士和皮孝东教授团队报道了一种新型硅基异质结光电神经突触器件，相关成果以“Perovskite-Enhanced Silicon-Nanocrystal Optoelectronic Synaptic Devices for the Simulation of Biased and Correlated Random-Walk Learning”为题，发表在Research上（Research, 2020, 7538450 (2020)，DOI: https://doi.org/10.34133/2020/7538450）。
研
究
背
景
神经形态计算（类脑计算）由于具有低能耗、自适应学习、高并行计算等优点，已经成为了高性能计算发展的一个重要方向。神经形态计算需要构建人工神经网络。作为人工神经网络的核心器件，神经突触器件近年来受到了越来越多的关注。与此同时，神经科学中利用光控制和监控神经活动的光基因技术近年来得到了迅猛发展。这启发了人们把光引入神经突触器件，开发新型的光电神经突触器件。从光电集成和大规模应用的角度看，将来依赖于光电神经突触器件的神经形态计算建立在硅技术平台之上是非常有利的。所以，发展硅基光电神经突触器件具有重要意义。
研
究
进
展
浙江大学杨德仁院士和皮孝东教授团队近年来围绕硅基光电器件的核心结构¾硅基异质结，设计和构建了一系列新型器件结构，制备了硅基发光器件、硅基光电探测器和硅基光电神经突触器件。现在，他们利用硅纳米晶体（Si NCs）和有机金属卤化物杂化钙钛矿（MAPbI3）的溶液加工特性，通过简单的旋涂成膜工艺制备了Si NCs/ MAPbI3异质结，进而以该异质结为沟道，构建了晶体管型的光电神经突触器件（图1）。
图1 基于硅纳米晶体/钙钛矿异质结的晶体管型光电神经突触器件
对器件的一系列光电测试表明，器件受到光刺激时，能够模拟兴奋型突触后电流、双脉冲易化和长程可塑性等重要的生物突触特性。在Si NCs/ MAPbI3异质结沟道中，n型的MAPbI3起到了“光栅极”的作用，MAPbI3中的光生空穴能够传输到p型硅纳米晶体层中，但是其光生电子不能。这使器件对光刺激的响应度相比于之前的单单基于硅纳米晶体沟道的器件提高了三个数量级以上，同时器件的电功耗降低了三个数量级以上。作者最后利用Si NCs/ MAPbI3异质结光电神经突触器件的长程可塑性，展示了将来基于Si NCs/ MAPbI3异质结光电神经突触器件的人工神经网络模拟随机行走学习的可能性。
图2 光电神经突触器件用于模拟随机行走学习
未
来
展
望
人们普遍认为，当代计算机所依赖的集成电路的继续发展需要走硅基光电集成之路。未来的神经形态计算（类脑计算）若能充分利用硅基光电集成技术，必将非常有益其性能提升和规模化应用。所以，开发硅基光电神经形态器件及其集成是具有前瞻性的重要工作。硅基异质结构为硅基光电神经形态器件的开发提供了很多可能，有望使硅材料在新型计算领域也扮演至关重要的角色。
作
者
简
介
皮孝东,浙江大学硅材料国家重点实验室和浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院教授，中国真空学会理事和中国真空学会电子材料与器件专业委员会副主任委员。研究领域主要涉及四族半导体材料和器件。
杨德仁，中国科学院院士，浙江大学硅材料国家重点实验室教授和浙江大学杭州国际科创中心首席科学家，主要研究方向为半导体硅材料及其在微电子、光伏和光电等领域的应用。
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