视觉是人类获取信息的主要来源。用于视觉系统模拟的人工图像识别是发展人工智能技术的关键一环。当前，光电突触凭借存算一体式处理光信号的特点被广泛应用于视觉模拟领域，但是突触的光电转换需要对输入光信号进行接触式处理，从而导致大量的能量消耗。针对这个问题，研究了基于光致变色钙钛矿薄膜的全光人工突触，它在紫外和可见光触发下，从光透过率的变化上表现出显著的突触特性，包括配对脉冲易化和学习能力。利用循环神经网络处理随时间变化的透射率数据，实现了对数字图像的二元识别，识别精度从第1个循环就稳定在100%。该器件具有零功耗非接触式信息读取的特点，为视觉系统模拟开辟了一条新的途径。

采用限域诱导结晶法，通过溶液法制备有机小分子半导体TIPS并五苯、聚苯乙烯和钙钛矿量子点的光突触晶体管，研究薄膜的结构和光电性质，考察突触晶体管受到不同光刺激条件调控的突触性能和行为。聚苯乙烯发挥提高有机小分子半导体薄膜结晶度以及维持突触器件长程光电流的双重作用。同时，有机复合薄膜器件实现了图形感知和记忆功能，对发展人工视觉系统具有重要意义。

类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能, 并具有优异的尺寸缩放性和低能耗, 是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律, 忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算, 从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易, 和CMOS工艺兼容性强, 是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展, 分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器, 主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热, 将严重影响器件稳定性, 改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导, 不仅能降低能耗, 而且可避免产生微结构变化和焦耳热, 从而有望解决稳定性难题。此外, 光控忆阻器能直接感受光刺激, 单器件即可实现感/存/算功能, 可用于研发新型视觉传感器。因此, 全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。

基于铟镓锌氧(IGZO)的双电层(EDL)晶体管以低加工温度、良好的一致性以及丰富的离子动力学等优势, 在神经形态感知和计算系统中具有极大的潜在应用前景。然而, 双电层IGZO晶体管的高漏电(>10 nA)导致的高能耗以及异常电流尖峰/毛刺一直是相关神经形态计算发展的主要障碍之一。本研究提出了一种具有Al₂O₃/壳聚糖(Chitosan)叠层栅介质的新型IGZO神经形态晶体管。与单层壳聚糖栅介质晶体管相比, 引入Al₂O₃叠层的器件具有78.3 mV/decade的低亚阈值摆幅, 在1.8 V电压下1.3 nA的低漏电流(降低约98%), 3.73 V的大滞回窗口(提升3.4倍)以及0.86 nA的低兴奋性突触后电流(降低约97%), 单脉冲(0.5 V, 20 ms)功耗仅为1.7 pJ(降低约96%)。此外, 研究还基于双栅EDL协同调控实现了尖峰突触功能的模拟和沟道电流的有效调制, 并有效规避突触塑性模拟中高漏电导致的非正常电流尖峰/毛刺。上述结果表明, 堆叠高k栅介质可以有效改善神经形态器件的漏电、功耗和性能, 为进一步开发超低功耗神经形态感知和计算系统提供了新的思路。

模拟型阻变突触特性能够为神经形态计算提供高的计算精度并避免计算过程中带来的电导卡滞、跃变以及失效等问题。模拟生物突触在刺激脉冲下的行为, 能够更好地揭示电子器件的仿生特性机理并为高性能神经形态计算提供支撑。突触双脉冲易化是生物突触的重要特性, 反映了在外界刺激作用下的易化和适应性过程, 对揭示神经元的工作机制至关重要。为了构建突触双脉冲易化的模拟型忆阻器件, 本研究通过器件的能带结构设计及氧空位缺陷态的调控, 利用射频磁控溅射法制备了一种结构为Ag/FeO_x/ITO的忆阻器。电学测试结果表明, 该器件具有优异的渐进递增的非线性阻变特性, 即模拟型阻变特性。在I-V循环扫描3000次范围内, 这种器件均表现出模拟型阻变特性, 可提供稳定的、可分离的16个电导状态, 且在10⁴ s内维持良好, 说明这些电导状态是非易失性的, 这主要归功于电子在氧空位缺陷态中的捕获与去捕获以及在势垒间隧穿行为。但是, 在低电场强度情况下, 捕获的热电子有可能会跃迁出浅陷阱能级, 而呈现出易失性。根据这种器件的易失性和非易失性共存特性, 通过调制电压脉冲宽度、幅度, 器件能够表现出很好的突触双脉冲易化特性, 显示出该类型器件在神经形态计算中的潜力和优势。

作为神经形态计算系统的基本组成单元, 人工突触器件在高性能并行计算、人工智能和自适应学习方面具有巨大的应用潜力。其中, 电解质栅突触晶体管(Electrolyte-gated synaptic transistors, EGSTs)以其沟道电导的可控性成为下一代神经形态器件被广泛研究的对象, 并用来模拟神经突触功能。EGSTs因双电层的快速自放电效应, 导致其存在长程塑性持续时间较短和沟道电导不易调控等问题。本研究采用水诱导的In₂O₃薄膜作为沟道材料, 以壳聚糖作为栅电解质材料, 制备了基于In₂O₃的EGSTs, 并对器件沟道层进行了氧等离子体处理。研究发现, 利用氧等离子体中的活性氧自由基在沟道层表面产生陷阱态, 使更多氢离子在电解质/沟道界面处被俘获, 器件性能表现为回滞窗口增大, 对EGSTs器件的长程塑性实现调控。基于双电层的静电耦合效应和电化学掺杂效应, 本研究利用EGSTs器件模拟了神经突触的兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、短程塑性(STP)和长程塑性(LTP)等突触行为。同时, 基于该器件的EGSTs增强/抑制特性, 采用三层人工神经网络进行手写数字识别, 经过仿真训练后, 发现该器件可训练出较高的识别率(94.7%)。这些研究结果揭示: 表面等离子体处理是影响器件性能的一项关键技术, 并证明了该技术对调节EGSTs神经形态器件的突触功能具有较大的应用潜力。

电解质栅控晶体管(Electrolyte-gated transistors, EGTs)的沟道电导连续可调特性使其在构建神经形态计算系统中具有巨大应用潜力。本工作以非晶态Nb₂O₅作为沟道材料, Li_xSiO₂作为栅电解质材料, 制备了一种具备低沟道电导(~120 nS)的EGT器件。该器件利用Li⁺嵌入/脱出Nb₂O₅晶格导致的沟道电导连续可逆变化, 模拟了神经突触的短程可塑性(Short-term plasticity, STP)、长程可塑性(Long-term plasticity, LTP)以及STP向LTP的转变等功能。基于这种EGT突触特性, 本工作设计了关联学习电路, 实现了突触权重的负反馈调节, 并模拟了“巴普洛夫的狗”经典条件反射行为。这些结果展现出EGT作为神经突触器件的巨大潜力, 为实现神经形态计算硬件提供了器件参考。

忆阻器可以在单一器件上实现存储和计算功能, 成为打破冯·诺依曼瓶颈的核心电子元器件之一。它凭借独特的易失性/非易失性电阻特性, 可以很好地模拟大脑活动中的突触/神经元的功能。此外, 基于金属氧化物的忆阻器与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容, 受到了广泛关注。近年来, 研究提出了多种基于单介质层结构的金属氧化物忆阻器, 但仍然存在高低阻态不稳定、开关电压波动大和循环耐久性差等问题。在此基础上, 研究人员通过在金属氧化物忆阻器中引入双介质层成功优化了忆阻器的性能。本文首先详细介绍了氧化物双介质层忆阻器的优势, 阐述了氧化物双介质层忆阻器的阻变机理和设计思路, 并进一步介绍了氧化物双介质层忆阻器在神经形态计算中的应用。本文将为设计更高性能的氧化物双介质层忆阻器起到一定的启示作用。

传统的人工视觉系统基于冯•诺依曼架构, 其视觉采集单元、处理单元和存储单元分离, 因而冗余数据在各个单元之间传递会造成高延迟和能耗。为了解决这一问题, 新一代神经形态视觉系统应用而生, 其具有感知、存储、计算一体化的架构, 既可以减少数据传递, 又可以提高数据处理效率。作为神经形态视觉系统的硬件实现基础, 光电人工突触器件近年来得到广泛研究。光电人工突触器件将光敏元件与突触器件的功能相结合, 为实现低延迟、高能效和高可靠性的神经形态视觉系统提供了新的可能。虽然光电人工突触材料千差万别, 但其工作机理主要包括氧空位的电离和解离、光生载流子的捕获和释放、光致相变以及光与铁电复杂相互作用等。本文从工作机理的角度, 介绍了光电人工突触器件的最新研究进展, 并分析了不同工作机理的优点及其面临的挑战。最后, 概述了未来光电人工突触的应用前景和发展方向。