首页
产品中心
技术百科
客户案例
新闻中心
关于我们

客户成果丨西安交通大学 MINE：面向人工视觉应用、基于共面自对准栅有机晶体管的晶圆级可扩展人工突触与逻辑门电路

西安交通大学，前沿科学技术研究院，罗四海课题组在晶圆级有机光电突触器件与神经形态人工视觉领域中取得最新进展，该研究成果以“Wafer-scalable artificial synapses and logic gate circuits based on coplanar self-aligned-gate organic transistors for artificial vision application”为题发表在Microsystems & Nanoengineering上。

1.摘要：研究背景与创新点

人工视觉系统需要同时完成光信号感知、信息存储和计算处理，而传统的光电传感系统通常需要独立的光电转换器、存储单元和逻辑电路，导致器件数量多、功耗高、系统结构复杂。近年来，有机光电突触晶体管因其材料光电性能可调、可溶液加工及适合大面积制备等优势，成为人工视觉硬件的重要候选。然而，现有有机光突触器件仍普遍存在工作电压高、栅源漏重叠引起寄生电容、器件结构复杂以及难以实现晶圆级集成等问题。

针对上述问题，本文构建了一种基于DPP-DTT有机半导体和ODPA自组装单分子层介电层的共面自对准栅极有机晶体管平台。通过Al/Au界面选择性剥离形成纳米间隙，实现了栅极与源漏电极之间的自对准，显著减小栅极与源漏电极的重叠面积和寄生效应。

本文的主要创新点包括：

1.晶圆级共面自对准栅结构

在4英寸SiO₂/Si晶圆上制备共面自对准栅极阵列，器件成品率超过91%。Al/Au电极之间的平均纳米间隙约为8.61 nm，标准差为4.44 nm，为低寄生、高密度器件集成提供了基础。

2.低电压、高性能有机晶体管

器件可在-6～2 V范围内工作，1μm沟道器件的开关比达到2.46×105，阈值电压为-0.98 V，饱和区载流子迁移率为1.83 cm2·V-1·s-1，亚阈值摆幅约为0.42 V·dec-1。

3.近红外光电突触与超低功耗

DPP-DTT器件能够响应850 nm近红外光，并表现出单脉冲突触后电流、双脉冲易化、短期记忆到长期记忆转变以及多级突触权重调控，单次突触事件能耗最低为5.28 fJ。

4.单器件多功能逻辑集成

利用单个P型SAG晶体管与负载电阻，实现了电输入NOT、NOR逻辑门以及光—电混合输入NOR逻辑功能，将光感知和逻辑处理集成在统一器件结构中。

5.人工视觉识别与图像记忆

基于真实器件的长时增强和长时抑制特性构建784-50-10人工神经网络，实现MNIST手写数字识别，理想条件下准确率约为96%～97%，在30%～40%噪声下仍可保持约91%的识别准确率。同时，器件还可模拟图像写入、保持和逐渐遗忘过程。

总体而言，该工作实现了从晶圆级器件制备—低电压晶体管—光电突触—逻辑运算—人工视觉识别的完整功能链，为低功耗、大面积和可集成人工视觉硬件提供了新的器件平台。

2.具体研究/工作内容

2.1 晶圆级共面自对准栅器件平台

研究团队利用ODPA自组装单分子层对Al栅极表面进行选择性修饰，并通过Au金属选择性剥离，在Al栅极与Au源漏电极之间形成纳米间隙。该方法不需要额外的高精度套刻，可在4英寸晶圆上制备共面自对准栅电极阵列，器件成品率超过91%，平均Al/Au间隙约为8.61 nm。基于该结构制备的DPP-DTT有机晶体管可在−6～2 V范围内工作，为低电压光电突触和逻辑功能提供器件基础。

图1 共面自对准栅电极结构的制备及晶圆级阵列。a，共面自对准栅电极的制备流程，包括Al栅极图案化、ODPA自组装单分子层修饰、Au源漏电极沉积和选择性剥离；b，Al/Au纳米间隙的扫描电子显微镜图像；c，纳米间隙的透射电子显微镜图像；d，Al、Au、Si等元素的EDS分布图；e，单个自对准电极结构及4英寸晶圆级器件阵列的光学图像。

图中研究内容描述：

SEM、TEM及元素分布结果共同证明Al栅极与Au源漏电极之间形成了清晰的纳米间隙。晶圆照片表明该工艺可以从单个器件扩展至大面积阵列，体现了自对准工艺在晶圆级制造和高密度器件集成方面的优势。

2.2 近红外光电突触及可塑性调控

DPP-DTT薄膜具有覆盖可见光至近红外区域的宽光谱吸收，在850 nm光照下能够产生稳定的光电流响应。单个光脉冲可诱导明显的突触后电流，连续双脉冲则表现出双脉冲易化行为。通过改变光脉冲频率、持续时间和数量，可以调控突触后电流幅值及保持时间，实现从短期记忆向长期记忆的转变。器件的单次突触事件能耗最低可达到5.28 fJ。

图2 DPP-DTT共面自对准栅晶体管的近红外光电突触可塑性。a，单个850 nm光脉冲诱导的突触后电流；b，连续双脉冲诱导的突触后电流响应；c，双脉冲易化指数随脉冲间隔时间的变化及拟合结果；d–f，不同脉冲频率、持续时间和脉冲数量下的突触后电流变化；g，光生载流子产生、输运及界面俘获机制示意图。

图中研究内容描述：

在单个200 ms光脉冲作用下，器件产生明显的瞬态突触后电流。双脉冲刺激时，第二次响应高于第一次响应，说明器件能够对相邻光信号进行时间累积。随着光脉冲频率、持续时间或数量增加，电流峰值及保持时间明显增大，表明光刺激能够实现多级突触权重调控以及短期记忆到长期记忆的转变。

2.3 基于器件特性的人工视觉识别与图像记忆

研究团队将器件实测的长时增强和长时抑制特性映射至人工神经网络权重，构建了784–50–10的三层神经网络，用于MNIST手写数字识别。在无噪声条件下，识别准确率约为96%～97%；即使输入图像含有30%～40%的椒盐噪声，识别准确率仍可保持在约91%。此外，利用器件电导随时间衰减的特性，还模拟了图像写入、保持和逐渐遗忘过程。

图3 基于器件突触特性的人工神经网络识别与图像记忆。a，用于MNIST手写数字识别的三层人工神经网络结构；b，器件长时增强和长时抑制的电导演化曲线；c，不同噪声比例下的手写数字图像；d，不同噪声条件下识别准确率随训练次数的变化；e，不同光脉冲数量和保持时间下的图像记忆与遗忘行为。

图中研究内容描述：

器件的连续电导增强和抑制行为可用于模拟神经网络中的权重更新。基于真实器件特性构建的网络在不同噪声条件下均表现出较好的识别能力，说明该器件具有一定的抗噪声视觉处理潜力。随着保持时间由0 s增加至20 s和40 s，图像逐渐变暗；同时，较多的写入脉冲能够产生更强的初始记忆，模拟了生物视觉系统中的学习、保持和遗忘过程。

本文构建了一种以共面自对准纳米间隙电极为基础的晶圆级DPP-DTT有机晶体管平台，实现了以下功能：

• 晶圆级自对准纳米间隙电极制备；

• −6～2 V低电压晶体管运行；

• 850 nm近红外光感知；

• 双脉冲易化及短期—长期突触记忆；

• 5.28 fJ级单次突触事件能耗；

• 电学NOT和NOR逻辑；

• 光—电混合输入NOR逻辑；

• MNIST手写数字识别；

• 噪声环境下的稳健分类；

• 图像写入、保持和遗忘模拟。

文章利用同一种晶圆级共面SAG器件，将光感知、突触记忆、逻辑运算和人工神经网络识别连接起来。该平台具有进一步缩小沟道尺寸、降低寄生电容和突触能耗的潜力，同时能够扩展到柔性PI基底，为可穿戴神经形态电子、人工视觉、边缘计算及人机交互系统提供器件基础。