Фотонные синаптические транзисторы с новым слоем захвата электронов для высокой производительности и ультра

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12583 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Фотонные синаптические транзисторы исследуются на предмет их потенциального применения в нейроморфных вычислениях и системах искусственного зрения. В последнее время эффективные результаты показал метод установления синаптического эффекта путем предотвращения рекомбинации электронно-дырочных пар путем формирования энергетического барьера с двойным слоем, состоящим из канала и слоя поглощения света. Мы сообщаем о трехслойном устройстве, созданном путем нанесения нового слоя захвата электронов между светопоглощающим слоем и изолирующим слоем затвора. По сравнению с обычной двухслойной фотонно-синаптической структурой наше трехслойное устройство значительно снижает скорость рекомбинации, что приводит к улучшению производительности с точки зрения выходного фототока и характеристик памяти. Кроме того, наш фотонный синаптический транзистор обладает превосходными синаптическими свойствами, такими как облегчение парных импульсов (PPF), кратковременное потенцирование (STP) и долговременное потенцирование (LTP), и демонстрирует хороший отклик на низкое рабочее напряжение — 0,1 мВ. Эксперимент с низким энергопотреблением показывает очень низкое энергопотребление - 0,01375 фДж на импульс. Эти результаты предлагают способ улучшить производительность будущих нейроморфных устройств и систем искусственного зрения.

Традиционный метод фон Неймана непригоден для обработки больших объемов мгновенно генерируемой и хаотически перемещающейся информации, поскольку он выполняет последовательные и последовательные вычисления по одному каналу. В этом традиционном методе обработка большого объема данных может привести к задержкам и сбоям, называемым узкими местами фон Неймана, а также к значительному потреблению энергии1,2. Поэтому исследователи сосредоточили внимание на человеческом мозге, который высоко интегрирован и может быстро и эффективно обрабатывать информацию. Одно синаптическое событие в человеческом мозге потребляет очень мало энергии — примерно 10 фДж3. В последнее время интерес вызывают устройства, имитирующие мозг, и нейроморфные синаптические устройства, а также были опубликованы различные маломощные методы, использующие свойство пластичности4,5.

Органические синаптические устройства привлекательны своим легким весом, большой площадью обработки, а также простотой и дешевизной изготовления6,7. В общем, для устройств, использующих органический полевой транзистор (FET), управляемый напряжением, где затвор модулируется электрическим потенциалом, синаптические свойства реализуются с использованием ионов, медленно движущихся внутри электролита. С использованием этих свойств были реализованы различные высокофункциональные устройства или системы4,8,9. Была разработана искусственная тактильная система с кожным датчиком с использованием сегнетоэлектрического слоя или ионного геля10,11. Ким и др. сообщили об искусственном афферентном нерве, объединив датчик давления и ионный гель7.

Недавно сообщалось о фотонных синаптических устройствах в дополнение к транзисторам, которые реализуют синаптические свойства с использованием напряжения на затворе6,12,13,14,15. По сравнению с методом управления напряжением фотонные синаптические устройства могут иметь широкую полосу пропускания, высокую скорость передачи и низкое энергопотребление16. Эти элементы фотонного синапса также могут воплощать искусственное зрение. Когда человеческий глаз получает визуальную информацию, фоторецепторы сетчатки преобразуют свет в электрические импульсы, которые передаются по нервам в область мозга, создающую и хранящую изображения. В системе искусственного зрения устройство обнаруживает свет и преобразует его в электрический сигнал для генерации и хранения световой информации17. Фотонный синаптический транзистор быстро преобразует оптический сигнал в электрический сигнал и одновременно демонстрирует отличные свойства хранения информации; поэтому в последнее время он привлекает внимание как устройство для построения системы искусственного зрения18.

В качестве светопоглощающих слоев используются многие материалы, такие как органические полупроводники18, перовскиты19 и экологически чистые биоматериалы20. Среди них мы использовали неорганический галогенидный перовскит (CsPbBr3) — полупроводниковый материал с гексагональной структурой12. Поскольку перовскиты обладают высокой фотоэлектрической эффективностью, они привлекают внимание к оптическим устройствам, таким как солнечные элементы21 и фотодетекторы22. Однако они очень уязвимы к влаге, и их фотоэлектрическая эффективность значительно снижается при длительном воздействии атмосферы23. В этом отношении CsPbBr3, изготовленный из неорганических материалов, обладает лучшей стабильностью, чем другие органо-неорганические перовскиты24.