客户成果丨中科大Adv. Funct. Mater.：基于2D3D集成WSe2-GaN双通道浮栅晶体管的宽光谱人工四色突触器件

具有低能耗特性的浮栅突触器件能够集成光学探测、处理和记忆的功能，满足计算机视觉系统的基本要求。随着技术的进步，人们对光敏突触器件的需求正在向更广泛的光谱范围扩展。然而，二维材料因其窄带隙而难以拓宽至紫外光区域的光电响应。因此，将二维材料与宽禁带半导体材料相结合构建新的器件设计，有望能够解决这一问题。

针对以上问题，近日，中国科学技术大学孙海定、左成杰教授团队受四色视觉系统的启发报告了一种塑性可调控的宽光谱四色神经形态视觉突触器件（ATSD），它是一种由多层石墨烯（MLG）、氮化硼（h-BN）、二硒化钨（WSe2）三种二维材料和块状体材氮化镓（GaN）垂直堆叠而成的双通道浮栅晶体管（FGT）。在电和光刺激的协同作用下，该器件成功地模拟了四色突触的基本行为，包括短期增强可塑性(STP)、弱长期增强可塑性(wLTP)、长期增强可塑性(LTP)、成对脉冲促进(PPF)、尖峰数依赖性可塑性(SNDP)和尖峰率依赖性可塑性(SRDP)。值得注意的是，该器件的可塑性可以在紫外线(UV)刺激下进一步调制，即利用GaN在紫外光照射下产生大量光生载流子的能力，从而实现了器件从STP到 LTP 的过渡。这为在 GaN 通道中通过光激发的载流子动力学来调控突触可塑性提供了新的见解。

图1：WSe2-GaN/h-BN/MLG双通道浮栅晶体管的结构。

异质结浮栅器件自上而下的层叠结构为：MLG、h-BN、WSe2和GaN（图1），其中WSe2直接与GaN衬底接触，形成双通道结构。GaN的禁带宽度较宽，对紫外光敏感。而WSe2的禁带宽度较窄，对可见光敏感。

图2：光电浮栅协同作用的机理。器件在暗场、可见光和紫外光光电协同刺激下，其存储特性分别表现为易失性、弱易失性和非易失性。

该团队提出了一种光电协同作用的新机理，如图2所示。在可见光和电的协同刺激条件下，WSe2沟道中产生了较多的光生电子载流子。较多的电子载流子堆积在WSe2沟道中，这产生了电子往MLG扩散并隧穿的势能，使得器件表现的存储特性为弱易失性。然而在紫外光和电的协同刺激条件下，GaN和WSe2双沟道都被激活，这导致两个沟道内产生了大量的光生电子载流子并隧穿至MLG中，使得器件表现的存储特性为非易失性。

图3：双通道浮栅晶体管模拟四色人工突触的特性。

在紫外光电刺激条件下，器件展示出LTP，如图3所示。这表明改变光照条件可以将器件从STP转变为LTP。因为在光照下，电子浓度显著增加，使得隧穿更容易发生。对于人工视觉突触器件，可调节的突触权重是实现各种功能的前提。

图4：基于WSe2-GaN ATSD的仿生人工视觉感知系统

此外，该团队利用该器件的特性来模拟人工视觉感知系统（图4），该系统被划分为两个模块，分别对应着图像信息的预处理过程和图像信息识别的过程。标准数据集图像的识别结果在紫外光电刺激下高达96.6%的识别准确率，这展示了该视觉感知系统对紫外光信息表现为长期存储特性。这项工作为2D/3D集成的浮栅晶体管架构提供了可选择的新路径，也在人工视觉感知系统方面展现了巨大潜力。

研究成果于2024年4月4日以“Broadband Artificial Tetrachromatic Synaptic Devices Composed of 2D/3D Integrated WSe2-GaN-based Dual-Channel Floating Gate Transistors”为题，发表在Advanced Functional Materials。中国科学技术大学微电子学院博士后苏子佳、闫勇为论文共同第一作者，孙海定教授和左成杰教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目的资助。

该研究中使用托托科技UV Litho-ACA无掩膜光刻机完成了器件的制备工作。