同济大学Adv. Funct. Mater.:基于晶体管的人工突触器件最新研究进展

【引言】

使用电子器件模拟生物突触功能是近几年来再次兴起的一个研究领域。它被广泛认为是硬件构建类脑计算机和人工智能系统的第一步。到目前为止，科学家已经构建了不同类型的电子器件来模拟生物突触功能。其中，基于晶体管的人工突触器件具有稳定性好，测试参数相对可控，操作机制清晰，可由多种材料构成的优点。另外，它们可以执行并发学习，其可以在不中断信号传输过程的情况下执行突触权重更新。不仅如此，在单个基于晶体管的人工神经突触器件中还可以实现电光信号的协同调控，这为开发具有更少神经元的健壮神经元网络提供可能性。基于晶体管的人工突触的这些优异特征使其比其他类型的器件更适合用于模拟生物突触功能。然而，基于晶体管的人工神经突触的发展仍处于早期阶段。

【成果简介】

论文回顾和讨论了基于晶体管的人工神经突触的最新进展。作者首先简要介绍生物突触和突触的可塑性。然后，回顾和讨论了突触晶体管的工作原理和主要进展，包括浮栅突触晶体管、铁电门突触晶体管、电解质门突触晶体管和光电突触晶体管。最后，作者对整个文章进行了总结，然后讨论了现在所面临的挑战，以便对未来的研究有所启发。该成果以题为“Recent Advances in Transistor-Based Artificial Synapses”发表在Adv. Funct. Mater.上。同济大学材料科学与工程学院博士研究生代世磊为该论文的第一作者。

【图文导读】

Figure 1.突触的示意图，其由突触前膜，突触间隙和突触后膜组成

Figure 2.薄膜Au浮栅突触晶体管

（a）基于半导体CNT的随机矩阵的柔性突触晶体管的示意图和显微镜图像

（b）case1：V_LTP和V_LTD的幅度大于其他情况 (case 2 和 case 3)；因此，NL是最高的, ΔG是最大的

（c）case 2: V_LTP和V_LTD的幅度小于case 1；因此，NL和ΔG较低

（d）case 3: 使用没有Au浮栅的CNT晶体管用于突触晶体管，由于电荷存储空间有限，NL和ΔG比其他情况小得多

Figure 3.C₆₀浮栅突触晶体管

（a）C₆₀浮栅突触晶体管的示意图（左）和横截面侧视图SEM（右）

（b）通过施加重复的正和负栅极脉冲进行重复的沟道电导调制。 在（c）写入和（d）擦除条件下，由一系列栅极脉冲产生的EPSC

Figure 4.Au纳米颗粒浮栅突触晶体管

（a）Au纳米颗粒突触晶体管的器件结构

（b）Au纳米颗粒突触晶体管的促进和抑制行为

（c）Au纳米颗粒的放电时间常数随沟道长度和纳米颗粒尺寸而变化

Figure 5.基于氧化物铁电材料的铁电门突触晶体管

（a）具有向上和向下极化的铁电门突触晶体管的示意图。（b）在施加具有不同脉冲幅度和宽度的栅极电压之后，铁电栅极突触晶体管的电流。（c）基于Hf_0.5Zr_0.5O₂铁电材料的铁电门突触晶体管结构及其工作原理。（d）脉冲方案1：具有相同脉冲宽度及幅度。（e）脉冲方案2：具有逐渐增加的脉冲宽度。（f）脉冲方案3：具有增加的脉冲幅度。

Figure 6.自支撑P（VDF-TrFE）膜作为介电层的超薄适形铁电门突触晶体管

（a）自支撑P（VDF-TrFE）膜作为介电层的超薄适形有机突触晶体管的器件结构。 b）突触晶体管在不同基板上放置时，在0 V处的滞后窗口和ON-OFF比率。 器件在两种极端弯曲条件下的照片（c）及长期增强，长期抑制特征（d）。

Figure 7.具有HZO作为介电层的无结铁电FinFET

（a）具有HZO作为介电层的无结铁电FinFET的器件结构。

（b）受激神经网络的示意图。

（c）模式识别准确度与状态水平的比较。

Figure 8.基于SWCNT的电解质门控突触晶体管

（a）SWCNT电解质门突触晶体管的示意图

（b）由突触前峰值引发的EPSC

（c）通过气溶胶喷射印刷制造的SWCNT电解质门突触晶体管的器件结构

（d, e）印刷的SWCNT电解质突触晶体管的高通滤波和低通滤波特性

Figure 9.基于过渡金属氧化物的电解质门控突触晶体管

（a,b）离子液体门控SmNiO3突触晶体管的示意图和工作原理

（c）通过施加重复的正和负栅极脉冲来调制SmNiO3的薄片电导

（d）离子液体门控SmNiO3突触晶体管的不对称STDP和对称STDP特征

Figure 10.基于二维半导体材料的电解质门控突触晶体管

（a）2D MoS2突触晶体管的器件结构

（b）多门2D MoS2突触晶体管的示意图，其类似于具有分枝树突的人工神经元

（c）穗率依赖的EPSC反应

（d）神经元输入输出与速率编码方案的关系由不同的调制电压调制

（e）神经增益调制对应于输入-输出曲线的倾斜

（f）基于准2D α-MoO3的突触晶体管的光图像和示意图

（g,h）在正和负栅极电压的作用下，基于准2D α-MoO3的突触晶体管的示意图及工作原理。

Figure 11.基于有机半导体材料的电解质门控突触晶体管

（a）基于PEDOT： PSS的突触晶体管的器件结构

（b）基于PEDOT：PTHF的突触晶体管的简化示意图

（c）器件的存储状态ΔI随着脉冲次数N的增加而增加

（d）基于自支撑有机电解质 - 栅极突触晶体管的高度互连的神经形态结构（HINA）的示意图

（e）基于木材的纤维素纳米纸（WCN）的有机突触晶体管的示意图

Figure 12.利用多种光刺激的人工轴突-多突触网络

（a）利用多种光刺激的人工轴突-多突触网络的示意图

（b）使用两种不同波长的光（405 nm和532 nm）脉冲信号实现的动态逻辑，通过改变532 nm的光脉冲强度可以调节器件性能。

（c）通过利用两个405 nm光尖峰（10μW，1s）作为逻辑输入信号实现的石墨烯-碳纳米管混合突触晶体管的“NOR”逻辑操作

Figure 13.基于IGZO-Al2O3的光控突触晶体管

（a）基于IGZO-Al2O3的光控突触晶体管的器件结构及工作原理

（b）UV光刺激后的突触后电流

（c）通过重复光脉冲刺激实现STM到LTM的转换

Figure 14.基于非晶IGZO的光控突触晶体管

（a）基于非晶IGZO的光子突触晶体管的器件结构

（b）在黑暗和光照下非晶IGZO的能带图。在照射下，在非晶IGZO膜中将产生电离氧空位

（c）基于非晶IGZO的突触晶体管的光响应行为

（d）用于模拟STDP的两个连接的IGZO突触装置的示意图

（e）不同Δt值下的PSC变化

（f）在两个连接的IGZO突触装置中实现对称STDP

Figure 15.基于无机卤化物钙钛矿量子点（QD）的光控突触晶体管

（a）基于无机卤化物钙钛矿量子点（QD）的光控突触的器件结构

（b）写入和擦除条件下的器件能带结构

（c）由波长为365nm， 脉宽为1s的光脉冲激发的EPSC

（d, e）PPF效应

(f）PPF到PPD的转变

(g）经受光脉冲和负电脉冲的突触装置的通道电流调制

【小结】

在这个工作中，作者介绍了基于晶体管的人工神经突触的最新进展，以便为将来实现晶体管突触功能提供指导。还介绍了基于晶体管的人工神经突触的主要挑战和研究方向。

Recent Advances in Transistor-Based Artificial Synapses

(Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201903700)

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