西电&西工大Sci. Bull:基于CMOS兼容二维半导体-氮化物铁电材料的光电忆阻晶体管及其在神经形态传感计算与光学解码的应用

低维 昂维 低维 昂维 2025年10月22日 15:46 

成果介绍

光电忆阻器件集传感、存储与处理功能于一体，能够实现神经形态传感计算，已被视为下一代人工视觉系统的关键元件。然而，现有器件的光电忆阻动力学特性大多基于人工工程结构或创新功能纳米材料，从规模化应用的角度来看，这对其与硅基互补金属氧化物半导体技术的兼容性提出了严峻挑战。

有鉴于此，西安电子科技大学刘艳教授、罗拯东教授、西北工业大学甘雪涛教授（共同通讯作者）展示了一种基于AlScN /二维半导体异质结构铁电场效应晶体管的CMOS兼容光电忆阻器件。研究表明，此类FeFET可在后端制程的热预算条件下制备，并展现出非易失性电子存储特性。通过利用AlScN层中光诱导的铁电畴重构，这些器件提供了光可调的短期与长期忆阻特性，将光刺激历史与电子动力学直接关联。该工作机制实现了丰富的光电突触功能，并实现了心理学人类视觉记忆模型，为光学神经形态传感计算提供了关键范例。此外，研究还利用光响应电流与光强度之间的线性非易失依赖关系，实现了光学信息解码。本研究成果为CMOS兼容光电忆阻器件作为下一代神经形态视觉架构的硬件基础开辟了新的机遇。

图文导读

图1. 器件概念、结构与材料特性。(a) 传统光学传感系统示意图，其传感、转换、存储和处理单元相互分离。(b) 神经形态光学传感架构示意图，其基础器件集成了传感与存储功能。该基础器件需具备光电忆阻特性，以实现模拟光学传感与传感信息计算。(c) MFMIS结构FeFET器件示意图，由MoS₂/hBN/Au/Cr/AlScN/Pt异质结构组成。(d) 典型MFMIS FeFET结构的横截面HR-TEM图像。(e) 在铂涂层蓝宝石衬底上生长的AlScN薄膜的θ-2θ XRD扫描图谱。(f) hBN/MoS₂/hBN范德华异质结构的拉曼光谱。(g) 基于AlScN的铁电电容器的极化-电压与电流-电压迟滞回线。

图2. FeFET的电导切换特性。(a) 作为控制栅极电压幅度函数的双扫传输特性曲线。读取电流电压为0.5 V。(b) 分别通过负向（-30 V，20 ms）和正向（30 V，20 ms）控制栅极电压脉冲设置的高阻态和低阻态输出曲线。高阻态和低阻态分别对应AlScN铁电层的向下极化与向上极化状态。(c) 多个沟道电流水平在1000秒周期内的保持特性测试。(d) 高阻态与低阻态之间100次电导切换循环的耐久特性。每次电导切换由一对正向（30 V，20 ms）和负向（-30 V，20 ms）电压脉冲触发。(e) FeFET获得的4位长时增强/长时抑制曲线。调制栅极电压脉冲序列包含从22 V至25 V（步长0.2 V）的递增脉冲和-19 V至-25 V（步长-0.4 V）的递减脉冲。

图3. FeFET的光电导开关行为及其工作机制。(a) 器件在光控与电控下工作的示意图。(b) 通过光调制实现的漏极电流开关特性（测量条件：V_d = 0.5 V）。器件的初始高阻态和低阻态分别通过（-30 V，20 ms）和（30 V，20 ms）栅压脉冲预设。实验采用532 nm激光，功率密度为0.31 μW/μm²。(c) 通过电压和光预设的器件输出特性曲线。(d) 不同铁电极化状态下测得的漏极电流水平（测量条件：V_d = 0.5 V）。(e) 器件初始状态下测得的传输特性，呈现小回线电导变化。箭头表示所施加栅压的扫描方向。(f) 器件光控与电控的工作机制示意图（左图）；FeFET在高阻态与低阻态下的能带图（右图）。

图4. 光控电导切换与生物人类记忆仿生模拟。(a) 光诱导电导切换对激光功率密度的依赖性（激光脉冲持续时间固定为20毫秒）。(b) 通过激光功率密度调控的短时程可塑性向长时程可塑性演化过程。(c) 光诱导电导切换对激光脉冲持续时间的依赖性（激光功率密度固定为0.13 μW/μm²）。(d) 通过激光脉冲持续时间调控的短时程可塑性向长时程可塑性演化过程。(e) 心理学人类记忆模型示意图——多存储记忆模型。(f) 光诱导电导切换对激光脉冲次数的依赖性（激光功率密度0.13 μW/μm²，脉冲持续时间15毫秒，连续光脉冲序列的脉冲间隔18毫秒）。(g) 基于光切换沟道电导提取的记忆保持特性，呈现短时记忆向长时记忆的转换过程（实线为归一化记忆保持数据的拟合曲线）。

图5. 光控与压控突触特性。(a) FeFET作为光电突触晶体管的工作原理示意图。(b) 双脉冲易化指数随连续光脉冲间隔时间的变化关系。(c) 光电FeFET实现的4位长时程增强/长时程抑制曲线：采用功率密度0.3 μW/μm²的光脉冲实现光控LTP，电压范围-17至-21.5 V（步长-0.3 V）的负电压脉冲实现压控LTD，光脉冲与电压脉冲持续时间均为20毫秒。

图6. 光信息解码应用的概念验证演示。(a) 光电流随光照强度演变的函数关系。顶部图示为采用的光-电压脉冲方案：在光刺激前使用复位电压脉冲将器件预设至高阻态。通过26个功率密度从0.42至1.92 μW/μm²（步长0.06 μW/μm²）的光脉冲，在FeFET中产生不同的光电响应。电压脉冲与光脉冲持续时间均为20毫秒。(b) 光照停止10秒后测得的与光功率密度相关的非易失性漏极电流水平。利用26个电流水平构建对应英文字母'A'到'Z'的密码本。(c) 展示'XIDIAN'一词光信息解码过程的示意图。

结论与展望

该研究成功研制出一种CMOS兼容的光电忆阻器件原型，该器件具有光诱导模拟电导切换特性。该器件采用AlScN作为铁电栅介质层、MoS₂作为半导体沟道，实现了与后端制程兼容的器件制备工艺。通过光电调控浮栅屏蔽电荷变化介导的铁电畴重构效应，我们阐释了观测到的FeFET光诱导电导切换现象。利用光刺激与器件传输特性之间的相互作用，同步实现了短时程可塑性与长时程可塑性，从而展现出光电突触功能并成功模拟人类记忆行为。研究还通过非易失光响应电流与光照强度之间的线性关联，展示了光学信息解码功能。这些研究成果充分证明了基于二维半导体/氮化物铁电异质结构的光电忆阻晶体管，在CMOS兼容的神经形态传感计算硬件中应用于未来人工视觉系统的技术潜力。

文献信息

F. Xiao, D. Tan, Z-D. Luo, D. Zhang, X. Gan, Z. Chu, F. Xue, Y. Xia, Y. Liu, Y. Hao, G. Han, CMOS-compatible 2D semiconductor-nitride ferroelectric based optoelectronic memristive transistors for neuromorphic sensory computing and optical decoding, Science Bulletin (2025), 

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.10.010

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