基于超薄硅的场效应晶体管型光电神经突触器件研究

More and more attention has been paid to neuromorphic computing in order to break the limit of the current mainstream computing based on the von Neuman architecture. As the key devices for neuromorphic computing, synaptic devices have recently witnessed rapid progress. Especially, researchers are inspired by optogenetics in neuroscience to start fabricating optoelectronic synaptic devices. However, the materials and processing of current optoelectronic synaptic devices are not well compatible with silicon-based very-large-scale integration (VLSI) technology. Hence, this project aims to fabricate optoelectronic synaptic devices by using ultrathin silicon. Given the limited optical absorption of ultrathin silicon, an organic/inorganic hybrid perovskite film with excellent optical absorption will be coated on ultrathin silicon. The resulting composite structure shall then be employed to fabricate optoelectronic synaptic devices. This project focuses on the mechanisms for the effects of the materials properties of ultrathin silicon and its composite structures on the behavior of optoelectronic synaptic devices. The electrical and optical tuning of the device performance will be compared and synergized. The insights gained in this project should contribute to the development of new devices for the emerging computing that is not based on the von Neuman architecture, enabling silicon-based optoelectronic integration to play a critical role for neuromorphic computing.

为了突破基于冯∙诺依曼架构的计算的能效瓶颈，人们越来越重视神经形态计算的研究。作为神经形态计算所需的核心器件，神经突触器件近年来得到了长足发展。特别是受神经科学中迅猛发展的光基因学的启发，人们已经开始研制光电神经突触器件。然而，目前的光电神经突触器件所用的材料及器件制备工艺与硅基大规模集成技术的兼容性差。为此，本项目提出利用超薄硅制备光电神经突触器件。考虑到超薄硅的光吸收性能不足，通过在超薄硅表面覆盖具有优异光吸收性能的有机无机杂化钙钛矿薄膜以形成复合结构，进而制备出场效应晶体管型光电神经突触器件。本项目将着重研究超薄硅及其复合结构的材料性能影响器件行为的规律，分析比较电场和光场调控器件性能的异同并实现其协同，为非冯计算新器件技术的开发提供新思路，使将来利用硅基光电集成推动神经形态计算的发展成为可能。

受生物神经系统的启发，基于各种材料的新型神经形态器件在近年来得到了蓬勃发展，有望应用于神经形态计算、神经形态感知和仿生智能机器人等人工智能领域。绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）是后摩尔时代硅基电子芯片所用的一种主要材料，具有高集成度、高可靠性、低能耗、低成本和抗辐射性好等诸多优点。先进的SOI技术中的超薄硅同时具有硅材料的集成优势和纳米材料的独特性质。本项目以SOI中超薄硅为研究主体，制备了场效应晶体管，以晶体管测试为主要手段，对不同厚度、掺杂以及表面的超薄硅薄膜的电导率和迁移率等电学性质进行了系统研究。通过构建超薄硅异质结的方法，突破了超薄硅由于光吸收能力弱而难以制备出高性能光电器件的局限。采用对比异质结和超薄硅场效应晶体管的晶体管特性曲线和光场下的光电响应测试，从迁移率、光电流大小及衰减时间等器件参数细致分析了异质结形成后对超薄硅中载流子输运特性的影响，并结合异质结能带结构，揭示了异质结构场效应晶体管中的光电耦合机制。在此基础上，制备了一系列以超薄硅为沟道的异质结构光电突触晶体管，成功模拟了突触性质，尽可能地降低了器件能耗，并通过分析异质结界面确认了器件工作机制。项目执行过程中，为了更好发挥超薄硅薄膜的平台集成优势，通过微纳加工工艺，探索了SOI片上集成电子传入神经元和神经突触器件的可能，极力推动了超薄硅应用于神经形态计算的研究。