金屬所雙重功能光電子器件研究取得進(jìn)展

　　光電探測器和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器作為兩種典型的光電子器件，在光信息的感知和處理方面具有重要作用。光電探測器具有快速的光響應(yīng)和高靈敏度，適用于光學(xué)傳感、通信和成像系統(tǒng)等領(lǐng)域。而神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器受人眼視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，能夠感知、存儲和處理光信號。兩種光電子器件各具特點(diǎn)且功能互補(bǔ)。因此，若能在單個器件上實(shí)現(xiàn)光電探測器和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器的集成，并可按應(yīng)用場景進(jìn)行切換，將提高光電子器件的集成度并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。然而，由于兩者光響應(yīng)速度存在的矛盾，使得在單個器件上同時實(shí)現(xiàn)這兩種器件的功能集成變得尤為困難。
 

　　為解決上述問題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心聯(lián)合研究部副研究員張興來等，構(gòu)筑了一種溝槽橋接GaN/Ga2O3/GaN雙異質(zhì)結(jié)陣列器件。通過調(diào)節(jié)Ga2O3中氧空位的電離和去電離過程，器件在低電壓和高電壓下分別表現(xiàn)出易失性和非易失性光電流。也就是說，僅通過改變工作電壓的大小，即可在單個器件上實(shí)現(xiàn)光電探測和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器兩種角色的轉(zhuǎn)換。該器件在低電壓作為光電探測器工作時，展現(xiàn)出很快的光響應(yīng)速度(118 μs)和很高的比探測率(1.13 × 1011 Jones)，并實(shí)現(xiàn)了光控邏輯電路、光電成像和光通信等復(fù)雜功能。而器件在高電壓作為神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器工作時，實(shí)現(xiàn)了包括雙脈沖易化、短程可塑性到長程可塑性的轉(zhuǎn)變、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)行為以及圖像記憶等神經(jīng)突觸特性的模擬。此外，經(jīng)過器件對圖像的神經(jīng)形態(tài)預(yù)處理后，圖像的識別效率提高了62.4%。這一研究不僅為在單個器件上同時實(shí)現(xiàn)光電探測器和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器的各種先進(jìn)功能提供了新方法，而且為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺系統(tǒng)和神經(jīng)形態(tài)計算提供了可能。
 

　　近日，相關(guān)研究成果以Dual-mode conversion of photodetector and neuromorphic vision sensor via bias voltage regulation on a single device為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.202308090)上。
 

　　圖1. 器件的設(shè)計概念、結(jié)構(gòu)和特性。(a)根據(jù)光響應(yīng)速度特性對光電器件的功能分類示意圖。(b)GaN/Ga2O3/GaN陣列器件示意圖。(c)器件和(d)溝槽橋接Ga2O3納米線的SEM圖像。不同偏置電壓下器件的(e)瞬態(tài)光響應(yīng)以及(f)光電流衰減擬合曲線。異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖：(g)無光照和偏壓，(h)紫外光照和高偏置電壓，(i)紫外光照和低偏置電壓。(j)異質(zhì)結(jié)中O 1s的XPS能譜。
 

　　圖2. 器件作為光電探測器的功能化應(yīng)用。(a)器件的成像原理圖以及所獲得的成像字母；(b)光通信系統(tǒng)的原理圖；(c)基于該器件實(shí)現(xiàn)的摩爾斯電碼傳輸。
 

　　圖3. 器件作為神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器的圖像預(yù)處理和識別功能。(a)用于圖像預(yù)處理和識別的人工神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的示意圖；(b)器件降噪前后的數(shù)字圖像；(c)器件降噪前后的圖像識別率曲線；(d)圖像訓(xùn)練結(jié)果的混淆矩陣；(e)在不同背景噪聲水平(0.1-0.9)下進(jìn)行圖像預(yù)處理前后的數(shù)字圖像；(f)背景噪聲水平對圖像識別率提升效果的影響。