基于光调控的有机场效应晶体管神经形态存储器

Light-tunable organic field-effect transistor memory represent a viable approach to develop brain-inspired electronic devices by integrating both data storage function and information processing ability. It has the distinctive advantages such as ultrafast signal transmission, wide bandwidth and high robustness. Currently, the practical application of this type of memory devices is mainly restricted by the narrow range of synaptic weight changes and unclear working mechanism. In view of the above problems, this project will investigate the precise controlling mechanism for optically controlled multibit storage based on the charge-trapping layer, modulation strategies including adopting dual photosensitive layer structure of “photosensitive semiconductor-photosensitive storage medium”, combined with nanostructured storage film. The synergistic effect of spectrum matching, energy level matching, polarity matching and nanoarray on improving the efficiency of both photon conversion and capture will be systematically investigated, aiming to realize a neuromorphic memory with high-precision pattern recognition.

脑启发的神经形态存储器是近年来新兴的一类智能存储技术，而基于光调控的有机场效应晶体管神经形态存储器具有信号传输速度快、响应带宽大、抗干扰能力强等优点，可用于人机接口的光学无线通信、电子假肢等，有着良好的科学研究和产业开发价值。作为人工智能领域一个新的研究方向和热点，光调控的有机场效应晶体管神经形态存储器主要存在突触权重变化范围窄、工作机制阐释不清等问题。有鉴于此，本项目将以存储介质层为研究对象，聚焦“光敏半导体-光敏存储介质”双光敏层的结构设计、存储层薄膜的纳米阵列化设计，通过光谱匹配、能带匹配、极性匹配、纳米结构诱导等方法，研究并阐明光控多比特存储的精细调控机制，提高光子转化和俘获的效率，最终构建具有高精度视觉识别功能的神经形态存储器。

人类获取的信息70%-80%来自视觉。得益于光子的光速传输、丰富的波长选择以及电、光信号正交操作的特性，基于光调控的有机场效应晶体管存储器具有信号传输速度快、响应带宽大、抗干扰能力强等优点，可用于构建人工突触元件，实现神经形态视觉仿生。实现多比特存储功能是构建神经形态存储器的基础，虽然通过光调控的方式来实现多阶存储态在机制探索、性能指标上都已取得了一系列重要进展，多比特有机光敏场效应晶体管存储器的实现依然存在光生电荷转化效率低、光生电荷的俘获效率低、工作机制阐释不清楚等挑战。针对上述问题和挑战，本研究以电荷存储层为研究对象，主要从联合光敏层构建、有序纳米结构引入、高性能神经形态存储器的机理探索三个方面展开研究。首先，本项目构建了两类半导体层-存储层“联合光敏层”结构。联合光敏层充分结合了两类功能层的优势，协同提高了光子转化效率和收集效率，使得有机存储器在可见光范围内具有全光谱响应的能力，提升了多阶电导态的比特数；其次，开发了一种形貌高度有序、工艺重复性强的纳米孔阵列存储层，使得存储窗口、存储速度、存储稳定性有了更高维度的调控空间；我们揭示了界面存储机制（浅陷阱态）和体相存储机制（深陷阱态）双陷阱机制协同、竞争调控机制，提出了一种新型的单极性电压突触塑性调控方法；最后，构建了全光控神经形态存储器，响应光强低至 nW/cm^2，响应带宽为紫外到近红外波段，实现手写体数字或图像的模式识别功能，识别精确度高于90%。通过上述系列研究工作的开展，我们对如何设计多比特有机场效应晶体管存储器以及开展人工突触仿生应用有了更进一步的认识。本项目研究成果将为发展有机神经形态电子的设计及应用提供有益探索和技术储备.截止目前，本项目研究成果已发表高水平SCI论文8篇，主编《有机薄膜晶体管存储器》专著一部（人民邮电出版社），申请中国发明专利4件，参加国际、国内学术会议并做邀请报告6次。