金属氧化物半导体光电突触晶体管：赋能神经形态视觉系统的宽带感知与类脑计算

《Accounts of Materials Research》：Optoelectronic Synaptic Transistors Based on Metal-Oxide Semiconductors for Neuromorphic Vision Systems

本综述系统探讨了基于金属氧化物半导体的三端光电突触晶体管在神经形态视觉系统中的应用。文章重点阐述了如何通过缺陷工程（如氧空位VO调控）和异质结设计（如引入低带隙吸收层）克服材料固有宽禁带限制，实现从紫外到可见光乃至近红外（NIR）的宽带光响应，并利用持续光电导（PPC）效应模拟兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）等关键突触功能。这些器件将感知、存储与处理功能集成于单一传感器内，为开发高效、低功耗的视网膜形态视觉芯片提供了有前景的硬件平台。

　　

2. 扩展金属氧化物半导体光电突触晶体管光谱灵敏度与利用PPC的机制

金属氧化物半导体因其固有的宽禁带（通常大于3 eV），其光响应最初主要局限于紫外光区，这严重限制了其在需要宽带检测的神经形态视觉系统中的应用。为了突破这一瓶颈，研究人员发展了两大互补策略：陷阱辅助光激发和吸收层工程。这两种策略都旨在扩展光谱响应范围，同时利用持续光电导（PPC）特性实现突触操作。

2.1. 陷阱辅助光激发工程用于波长扩展与突触可塑性

陷阱辅助光激发是通过在金属氧化物半导体沟道或其界面处有意引入或激活缺陷态来扩展光谱响应的有效方法。对于原始的金属氧化物，光子吸收主要通过直接的带间跃迁实现。然而，通过掺杂、等离子体处理（如Ar/H₂等离子体）、化学修饰（如界面耦合、成分工程）或在缺氧条件下沉积，可以在材料中产生大量的氧空位（V_O）相关陷阱态。这些亚带隙态作为中间能级，使得能量低于材料带隙的光子（如可见光）能够通过缺陷介导的跃迁被吸收，从而将光响应扩展到可见光范围。

更重要的是，这些陷阱位点极大地增强了PPC效应。PPC源于光生载流子被局域缺陷态捕获，即使在光刺激移除后，电导率仍能维持一段时间。这种特性为模拟生物突触的短期记忆、时间信号积分以及可塑性（如光学增强和电学抑制）提供了物理基础。例如，经过等离子体处理的IGZO（铟镓锌氧化物）光电晶体管对635纳米的红光表现出灵敏响应，并且在重复光脉冲下显示出累积的光电流增强行为，类似于生物突触的增强过程。类似地，在IGZO/SiO₂界面进行聚二甲基硅氧烷（PDMS）处理可以引入有机相关的陷阱态，实现跨多个可见光波长的PPC。通过堆叠溶液处理的IGZO层形成多层结构，可以创建丰富的界面缺陷态，从而实现光学增强和电学抑制的双向突触权重调控。

总之，陷阱辅助光激发策略巧妙地将传统上被视为材料缺点的缺陷转化为实现宽带光响应和突触可塑性的功能单元，是克服金属氧化物半导体固有带隙限制的核心手段之一。

2.2. 吸收层工程用于宽带光响应与突触可塑性

吸收层工程是另一种扩展光谱响应的有效策略。该方法通过在金属氧化物半导体沟道上集成低带隙材料（如硒（Se）、共轭聚合物、钙钛矿或量子点（QDs））来提供宽带光学吸收。这些低带隙材料负责吸收长波长光子并产生电子-空穴对。在异质结界面的能带偏移和栅极偏压的调控下，光生载流子（通常是电子）被选择性地注入到金属氧化物半导体沟道中，从而调制沟道电导。同时，空穴被阻挡或捕获在界面处，减少了电子-空穴对的复合，从而引发表面光栅效应并产生PPC。

例如，Se/IGZO混合光电晶体管利用Se（带隙约1.95 eV）作为吸收层，对红光（635 nm）表现出极高的光电流开关比（I_photo/I_dark≈ 10⁹）和明显的PPC行为。使用 diketopyrrolopyrrole (DPP) 共轭聚合物的IGZO混合器件则展示了从405纳米到850纳米的宽带光响应，甚至可用于光电容积脉搏波（PPG）信号检测等生物医学应用。将红、绿、蓝混合量子点与IGZO集成的器件，能够对不同颜色的光产生波长依赖的光电流响应和突触增强，模拟生物系统中的多感官整合。

与陷阱辅助策略相比，吸收层工程的优势在于可以通过选择不同的吸收材料来精确调控光谱响应范围，同时结合了金属氧化物半导体高迁移率和低带隙材料强吸收的优点。其挑战在于需要确保吸收层与沟道之间形成均匀、稳定的异质结界面，以实现高效的载流子转移。

3. 光电突触晶体管在传感器内计算中的先进应用

基于上述机制，金属氧化物半导体光电突触晶体管已被用于实现多种先进的视觉预处理和识别任务，展示了其在神经形态视觉系统中的实际应用潜力。

3.1. 传感器内对比度增强

人视网膜能够通过抑制冗余背景信息来增强图像关键特征的对比度。受此启发，研究人员利用光电突触晶体管的光强依赖的PPC衰减动力学来实现类似功能。例如，在带有铝敏化层（ASL）的IGZO突触光电晶体管阵列中，较高光强（如5 mW/mm²）照射后，光电流衰减较慢，剩余电流比例较高；而较低光强（如1 mW/mm²）照射后衰减较快。利用这种差异，可以对输入图像中不同光强区域（如目标字母和背景）产生不同的电导响应，经过时间积分后，目标与背景的对比度得到显著增强，并能有效抑制随机白噪声，提高后续图像识别任务的准确性。

3.2. 传感器内视觉适应

生物视觉系统具备明适应（从暗处进入亮处）和暗适应（从亮处进入暗处）的能力。研究人员通过设计InP量子点/ITZO混合光电晶体管，利用栅压调控实现了类似功能。在正栅压下，器件电流先增后减，模拟了视锥细胞在亮光下的抑制响应（明适应）。在负栅压下，电流先减后增，模拟了视杆细胞在暗光下的增强响应（暗适应）。通过器件阵列，可以观察到图案在光照条件变化下逐渐清晰化的过程，再现了生物视觉的适应现象。

3.3. 传感器内边缘检测

边缘检测是视觉预处理的关键步骤。为了实现这一功能，需要器件能够同时提供兴奋性和抑制性突触权重。一种方案是将两个IGZO光电晶体管（一个作为兴奋性突触光电晶体管（ESP），另一个作为抑制性突触光电晶体管（ISP））串联。用光脉冲照射ESP沟道会引起突触权重增强，而照射ISP沟道则会引起抑制。通过光学编程将不同的卷积核（如Sobel_x, Sobel_y）权重映射到突触阵列上，可以直接在传感器端对图像进行锐化、模糊和边缘检测等处理，无需额外的比较器电路。

3.4. 传感器内图像识别

在嘈杂环境中进行图像识别要求器件具备噪声抑制能力。一种将IGZO光电突触晶体管与量子点发光二极管（QLED）集成的混合架构展示了这种能力。IGZO晶体管将含噪的紫外光信号转换为加权的光电流，QLED则利用其阈值开关特性，将超过阈值的信号放大为明亮的可见光输出，同时抑制低于阈值的噪声。这种系统能够有效滤除背景噪声，生成高对比度的预处理图像，显著提高了深度学习网络对噪声图像（如MNIST数据集）的分类准确率。

4. 结论与展望

金属氧化物半导体基光电突触晶体管通过巧妙的缺陷工程和异质结设计，成功地将宽禁带限制转化为实现宽带光响应和突触可塑性的优势。其核心在于利用PPC效应模拟生物突触的关键功能。阵列级的演示证明，这些器件能够执行对比度增强、视觉适应、边缘检测和图像识别等视网膜形态的预处理任务，将感知、存储和初步处理功能集成于传感器内，有效减少了数据传输量和系统能耗。

未来，这类器件的发展方向是与单片三维集成技术结合。金属氧化物半导体具有低温加工、化学稳定性好以及与后端工艺兼容等优点，非常适合用于构建垂直堆叠的传感-存储-计算一体化架构。这种类视网膜-皮层通路的高度集成化系统，有望为移动设备、自动驾驶、医疗监护等领域带来真正高效、低功耗、实时的神经形态视觉解决方案。面临的挑战包括大面积均匀制备、界面稳定性控制、三维集成中的热管理以及长期可靠性等，这些问题的解决将推动该技术从实验室走向实际应用。