客户成果丨江南大学《Journal of Materials Chemistry C》：通过将Res2光电晶体管与嵌入式电极集成来增强多功能宽带人工视觉

江南大学集成电路学院南海燕课题组在光电子学领域/研究中取得最新进展，该研究成果以“Enhanced Multifunctional Broadband Artificial Vision through Integration of ReS2 Phototransistors with Embedded Electrodes”为题发表在《Journal of Materials Chemistry C》上。

本文介绍了一种ReS2光电突触装置，旨在模拟人类视觉系统和人工神经网络。该装置使用底部嵌入式电极来克服传统热蒸发电极的费米钉扎效应，从而获得优异的突触性能。它通过动态调整电导状态来复制生物突触的可塑性特征，如短期和长期可塑性。该装置还表现出优异的光电导响应，并允许通过光和电的组合控制灵活调节突触重量。实验结果表明，该算法在彩色成像和神经形态计算方面是有效的，在手写数字识别任务中达到了90.7%的准确率。该设备的阵列设计支持字符编码存储功能。本研究为脑启发计算和人工视觉系统引入了一种新的硬件解决方案，具有潜在的应用前景。

图1（a）人类视觉系统和人工突触神经元结构示意图。（b） 装置结构和电荷载体工作机理示意图。（c） 在637 nm下用不同激光功率写入后器件的传输特性。（d） 突触晶体管在黑暗条件下不同栅极电压下的输出特性。（e） 在637 nm波长和10.16 mW激光功率下，突触晶体管在不同栅极电压下的输出特性。

该设计并制造了一个ReS2光电突触晶体管来模拟复杂的视觉感知过程，如图1b所示。在传统的ReS2器件中，电极通常直接沉积在顶部，导致费米能级钉扎。通过使用底部电极，在金属和半导体之间产生范德华接触，降低界面态密度并抑制费米能级钉扎。这允许通过影响金属功函数的肖特基势垒高度来更灵活地调整器件的电性能。

图2（a）生物突触和人工突触装置示意图。（b） 在波长为637 nm、脉冲强度为2.788、23.08、99.26、173.9、245.8和378.7 mW的激光照射下的PSC。（e） 光刺激下的PPF指数。（f） PSC在波长为637 nm、强度为23.08 mW、脉冲频率为0.1、0.2、0.5和1 Hz的激光照射下。（g） 栅极电压为30、40、50、60和70 V，脉冲强度和脉冲宽度为2 s的PSC。（h）脉冲宽度为1、2、3、4和5 s的50 V栅极电压脉冲下的PSC。

测试结果表明，随着脉冲强度和宽度的增加，该器件从短期塑性（STP）转变为长期塑性（LTP）。与具有顶部电极的器件相比，具有底部电极的器件显示出更明显的LTP，从而具有更好的长期记忆和存储能力。通过KPFM测量证实，基于底部电极的设备在照明前后的电位差为82.3 mv。电势差的增加直接反映了光生载流子的捕获效应，表明该器件具有捕获光生载流子并延迟其释放的能力。

图3（a）手写数字识别的三层ANN架构。（b） 896个连续脉冲作用下通道电导的周期性变化。（c） 手写数字识别精度。（d） 手写数字识别的混淆矩阵。（e） 每个数字类别的识别精度。

人工神经网络（ANN）模仿生物神经网络的结构和功能来执行类似大脑的计算任务。人工神经网络由人工神经元组成，通过可调突触权重的连接计算复杂任务。为了演示基于设备的突触系统的实际应用，我们使用设备的突触特性来完成手写数字识别任务。在图3中，为此任务设计了一个三层人工神经网络。通过混淆矩阵显示。对角线上的高值表示分类准确，但有一些样本分类错误，大多数数字的识别率达到90%或更高。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的无掩模光刻机进行了底部电极阵列的图案化光刻。

作者信息介绍：江南大学集成电路学院硕士生周乐鋆为文章的第一作者，南海燕教授为论文的通讯作者。

该工作受到了中国自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/tc/d5tc00591d