客户成果丨华南师范大学《SCIS》：面向低功耗神经形态机器视觉的MoS₂-4H-SiC异质结构光突触器件平台

华南师范大学电子科学与工程学院（微电子学院）高伟副研究员, 通过缺陷辅助调制和能带工程，创新性地构建了一种面向低功耗神经形态机器视觉的MoS2/4H-SiC异质结光突触器件平台。该研究成果以“A platform of MoS2/4H-SiC heterostructure photonic synapses for low-power neuromorphic machine vision”为题发表在《SCIENCE CHINA Information Sciences》上。

摘要

光电突触器件在神经形态机器视觉领域应用前景广阔，但仍面临异质外延晶格失配、制备工艺繁琐两大技术难题。本研究创新地采用MoS2充当电子输运通道，打造出一款兼顾低功耗与优异性能的新型光电突触器件。传统异质结构光电突触总会被界面缺陷拖累性能，而本设计跳出固有思路，让4H-SiC专职作为光敏层捕获光照产生的电子，不再参与整体电流传导，全部载流子输运工作交由MoS2高效完成，从根源缓解界面带来的各类负面效应。实验通过机械剥离工艺获取MoS2并完成器件制备。测试结果显示，器件在405 nm光源激励下的光响应表现突出，能够完整复刻多种典型生物突触学习行为：脉冲间隔50 ms时成对脉冲易化指数高达134.4%，单脉冲能耗仅0.35 nJ，同时拥有超过120 s的长时记忆保持能力。机理表征进一步阐明，异质结界面缺陷调控的电荷俘获与缓释过程，是器件实现仿生突触功能的核心内因。将该器件嵌入神经网络开展手写数字识别仿真，最终识别准确率稳定达到94%，直观印证这套MoS2/4H-SiC异质突触在低功耗类脑计算硬件中广阔的应用前景。本次工作不仅为感知、存储、计算一体化的新一代智能设备搭建了可行的器件平台，也为二维材料与宽禁带半导体复合异质结构在神经形态光电子领域的创新发展提供了全新思路。

图文导读

图 1 (a)人体视觉系统与神经信息传输示意图；(b)MoS2/4H-SiC异质结光电突触器件结构示意图；(c)MoS2/4H-SiC异质结光电突触器件扫描电镜形貌图；(d)MoS2/4H-SiC异质结截面扫描电镜图；(e)器件原子力显微镜表征图；(f)MoS2/4H-SiC器件拉曼光谱图；(g)MoS2/4H-SiC器件光致发光光谱图。

图1展示了生物视觉系统依靠视网膜将外界光刺激转化为电化学信号，突触通过调控神经元连接权重完成视觉信号可塑性处理的过程。受此仿生机制启发本文制备了MoS2/4H-SiC异质结光电突触。通过TEM与EDS图谱可以证明该器件的界面平整且分层清晰。且通过AFM图谱测得该体系中所用的MoS2薄膜厚度为62 nm。与此同时，拉曼光谱同时显现MoS2与4H-SiC特征峰，且基本没有杂峰的分布说明了此异质结的晶体质量优异，说明器件的成果制备。最为重要的是通过PL光谱测试，可以观察到4H-SiC在395 nm出现本征发光峰，匹配3.14eV 的带隙宽度；而433 nm、513 nm 两处宽发光峰证实了此基底存在大量的本征缺陷，也为器件可见光光电突触响应提供了物理依据。综合表征结果可判定，4H-SiC内部本征缺陷调控电子俘获与释放过程，是器件实现突触仿生特性的核心物理机制。

图 2 (a)偏压Vds=0.1 V条件下器件在不同405 nm光功率密度下的电流响应曲线；(b)405 nm激光下突触后电流变化量ΔEPSC随光功率密度变化的拟合关系曲线；(c)Vds=0.1 V、405 nm、光功率密度5.05 mW·cm-2下器件对300 ms至1.5 s不同宽度连续光脉冲的电流响应；(d)ΔEPSC随脉冲宽度变化的拟合曲线；(e)Vds=0.1 V、405 nm、光功率密度5.05 mW·cm-2下不同脉冲数量光激励产生的器件电流响应；(f) ΔEPSC随脉冲数量变化的拟合曲线；(g)器件具备学习、遗忘、再学习特征的学习记忆行为测试曲线；(h)两组连续光脉冲激发的突触后电流，用于计算成对脉冲易化PPF系数；(i)PPF系数随脉冲间隔Δt的变化曲线及其双指数拟合结果。

图2系统探究器件突触可塑性仿生特性，光功率、脉冲宽度、脉冲数量多维度调控可实现可重构突触响应。突触后电流随光功率、脉宽、脉冲数呈非线性增长并趋于饱和，对应生物突触反复刺激强化学习行为，撤光后电流无法回落基线，证实记忆效应。其次还对器件进行了学习-遗忘-再学习过程，二次学习仅需半数脉冲即可达到同等响应，记忆留存能力显著提升且在脉冲间隔为50 ms时，PPF峰值达134.4%。最后，通过拟合得到了器件的快慢两种弛豫常数，分别对应浅缺陷快速脱俘获与4H-SiC深能级长效载流子束缚，双指数衰减规律与生物突触时序动力学高度吻合。

图 3 器件结构与载流子分布示意图：(a)暗态条件；(b)光照条件；(c)撤光后状态；(d)Vds=0.1 V光照下MoS2/4H-SiC异质结能带图；(e)撤光后MoS2/4H-SiC异质结能带结构图；(f)405 nm、光功率密度5.05 mW·cm-2下不同漏源偏压对应的器件电流响应曲线。

图3借助器件结构与载流子分布示意图，分光照前，光照时和光照后三个阶段揭示了电荷的输运机制。0.1 V偏压下的暗态，MoS2承担电子输运沟道，电子可在源漏间稳定迁移形成暗电流。外电场可预先分离载流子，规避MoS2与4H-SiC本征缺陷对电荷传输的干扰。在光照条件下，Ⅰ型能带结构促使4H-SiC光生电子转移至MoS2，空穴留存于4H-SiC价带，内建电场加速光生载流子分离，此时光电流主要由异质结电子输运主导，缺陷俘获作用可忽略。光照后，光照阶段被4H-SiC深浅缺陷能级E1、E2捕获的电子持续缓慢释放，光电流逐步衰减并稳定在高于初始暗电流的水平；异质结界面光栅效应抑制载流子复合，进一步延长电子释放时长。此外通过测试不同漏源电压下单脉冲光响应曲线验证跨异质结电子输运规律：提升Vds可延长光照后电流保持时间，4H-SiC缺陷持续向MoS2沟道注入电子，稳态电流与电荷留存时长同步提升，充分佐证缺陷调控非辐射复合是器件长效突触响应的核心诱因。

图 4 (a)Vds=0.1 V下连续激光脉冲激励实现器件多级存储特性；(b)十次连续光脉冲激励下各可区分阻态对应的提取漏源电流；(c)器件对多组光脉冲的电流响应曲线；(d)基于MNIST数据集用于评估图像识别精度的人工神经网络结构示意图；(e)理想MoS2/4H-SiC异质结器件百次测试的图像识别准确率曲线；(f)本器件与其他经典突触器件在PPF系数、记忆保持时长及功耗指标上的性能对比图。

图4围绕器件多级存储、循环稳定性、图像识别应用与综合性能对比展开测试。其中多级存储测试采用了300 ms光脉冲连续激励，器件可稳定区分11阶电导态，电流随脉冲刺激非线性抬升并趋于饱和，源于4H-SiC晶格本征缺陷的电荷俘获效应，证实器件具备多比特存储能力，可复刻生物迭代强化学习行为。在循环稳定性测试中，多轮循环测试中器件电流持续稳步提升，多次刺激无明显性能衰减，证明MoS2/4H-SiC异质结构具备优异循环稳定性。最后依托器件的低功耗优势搭建的手写数字识别神经网络以器件实测电导更新数据完成仿真验证，循环测试准确率稳定超94%，接近理想器件水平，体现出色突触耐久特性。此外，这里将本器件与主流二维、宽禁带基突触器件横向对比，发现器件在PPF系数、功耗指标上优势突出，虽其长时存储与低功耗依然存在性能权衡，但其可以自由调节的独特能力使其可以兼容不同的体系。后续可通过界面调控、掺杂优化、引入栅极结构等手段进一步均衡各项性能。值得注意的是该异质结构具备良好的晶圆规模化制备潜力，基于其构建的大面积异质结阵列可与现场可编程门阵列（FPGA）集成，在高温极端工况、低功耗边缘感知类脑计算领域具备广阔应用前景。

该工作通过使用TuoTuo Technology（UV Litho-ACA）的无掩模光刻机完成了MoS2/4H-SiC异质结接触电极的图案化定义工作。

作者信息介绍：华南师范大学电子科学与工程学院博士生张高天为论文第一作者，华南师范大学高伟副研究员为论文的通讯作者，研究工作还联合华南师范大学王幸福研究员、厦门大学张峰教授共同完成。

此项研究工作获国家自然科学基金和广州市科技计划的资助。

文献信息

G.Zhang, R.Sun, Y.Gong, et al. “A platform of MoS2/4H-SiC heterostructure photonic synapses for low-power neuromorphic machine vision.” SCIENCE CHINA Information Sciences, 2026, 69 (7): 170406:1–170406:11.

https://doi.org/10.1007/s11432-026-4987-2