在AlGaN/GaN HEMT光电子突触中实现门控可调的突触权重调制，用于类脑计算

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Gate-tunable synaptic weight modulation in AlGaN/GaN HEMT optoelectronic synapses for neuromorphic computing

基于AlGaN/GaN异质结构的门调三端光电子突触器件，实现了低功耗与高保真神经形态计算。通过极化工程二维电子气通道和门控带调制，器件具备兴奋性突触后电流（EPSC）、脉冲对 facilitation（PPF）及短时/长时突触可塑性转换功能。系统研究表明光刺激与门压协同调控突触可塑性，在93.4%识别精度下展现鲁棒神经形态性能，证实门压工程对AlGaN/GaN光电子突触器件的关键作用。

　　

钱雷阳|洪学坤|钱伟英|张向阳|杨国锋|梁俊杰|郭健|单新怡

中国江南大学光工业光电工程技术江苏省研究中心科学学院，无锡，214122

摘要

在后摩尔时代，内存计算作为一种有前景的方法出现，旨在克服冯·诺依曼架构的瓶颈。光电子突触器件在这一领域具有巨大潜力。在这项工作中，我们报道了一种基于AlGaN/GaN异质结构的栅极可调三端光电子突触器件，实现了低功耗和高保真的神经形态计算。通过利用极化工程化的二维电子气（2DEG）通道和栅极控制的能带调制，该器件展现了诸如兴奋性突触后电流（EPSC）、配对脉冲促进（PPF）以及从短期记忆到长期记忆的转换等基本突触功能。系统研究表明，光刺激和栅极偏压共同调节突触可塑性。重要的是，该器件在每个突触事件上实现了低能耗，并在不同栅极偏压控制的突触权重下表现出稳健的神经形态性能，准确率达到93.4%。这些结果突显了栅极电压工程在AlGaN/GaN光电子突触中用于下一代脑启发式计算系统的潜力。

引言

随着物联网（IoT）、大数据和人工智能等新兴信息技术的快速发展，传统的冯·诺依曼架构越来越无法满足神经形态计算的需求。这一限制主要源于数据在独立存储单元和计算单元之间的传输瓶颈。通过对光电材料的研究[[1], [2], [3]]，集成了光传感、存储和信号处理功能的光电子突触器件提供了一个有前景的解决方案。这些器件不仅可以直接响应光刺激，还在功耗、操作速度和电子集成方面具有显著优势，使其成为下一代神经形态系统的关键推动者[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]]。

特别是基于AlGaN/GaN异质结构的电光突触器件由于氧空位相关缺陷状态的双重作用而表现出优异的性能[[11]]。具体来说，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）外延器件在特定紫外（UV）光照波长下表现出强烈的光响应，从而能够调节能带结构[[12,13]]。这种光可调性使得对载流子迁移率和导电性等关键传输参数进行精确控制成为可能[[14,15]]，为高性能光子突触器件的实现奠定了坚实的物理基础。

对于三端光电子突触器件，引入栅极电极可以在不同的光照条件下实现更灵活的电流调制[[16], [17], [18], [19]]。这种光子与电子突触行为的耦合不仅改善了光学响应特性，还实现了多模式调制能力。通过简化硬件复杂性并利用光子组件的低功耗优势，这些器件为神经形态计算提供了新的方法[[20,21]]。光电材料的研究进展非常迅速[[22,23]]。然而，该领域仍存在关键挑战，主要是由于对材料设计原理的理解不完全，这限制了进一步的进展。这些问题突显了在电光突触耦合策略方面需要取得突破[[24], [25], [26], [27]]。

在这项工作中，我们报道了一种基于AlGaN/GaN HEMT的可调栅极光电子突触器件。通过对外延结构、光谱响应和栅极电压依赖的电稳定性的系统表征，我们揭示了栅极电压通过调节势垒层中的能带弯曲来调节载流子浓度和电光响应的物理机制，从而优化了突触权重的更新。我们证明了入射光参数和栅极电压的调节可以动态驱动从短期可塑性（STP）到长期可塑性（LTP）的转换，模拟了生物突触记忆的巩固，并展示了栅极控制对突触强度的影响。我们通过手写数字识别任务展示了其实际潜力。识别准确性取决于栅极偏压，证明了栅极控制对于提升突触性能至关重要。这些结果为通过栅极电压工程开发低功耗、高保真的神经形态计算器件指明了有前景的方向。

实验细节

实验细节

所研究的样品采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上外延生长。图1(a)展示了所设计器件的三维示意图。外延结构由0.7 μm的AlN成核层和2 μm的非故意掺杂的GaN层组成，这些层用于缓解与蓝宝石衬底的晶格失配并提高晶体质量。1.6 μm的碳掺杂低温GaN缓冲层有助于有效

结果与讨论

为了研究器件的电光传输特性，在不同栅极和漏极电压下，分别在黑暗和光照条件下测量了输出和传输曲线。选择365 nm的紫外光源进行所有电光测量，因为其光子能量（约3.4 eV）与GaN能带隙相对应，能够高效生成用于突触调制的光载流子。同时，这个波长在

结论

总之，我们展示了一种三端AlGaN/GaN异质结构器件，它结合了优异的电学和电光性能以及栅极可调的突触功能。该器件在不同的光学和电学条件下表现出多样的神经形态行为。能带图分析阐明了正负偏压下的栅极控制机制。这项研究表明，光电共同优化的突触器件可以实现高保真度

CRediT作者贡献声明

钱雷阳：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。洪学坤：研究、正式分析、数据管理。钱伟英：正式分析、数据管理。张向阳：研究、正式分析。杨国锋：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、方法论、数据管理。梁俊杰：撰写——审阅与编辑、资源管理、方法论。郭健：撰写——原始草稿、监督、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62374075、62274017、62174016、62074019）、江南大学基本研究基金（编号：JUSRP202504018、JUSRP202501142）以及江南大学研究生教育与教学改革研究与实践项目（编号：YJSJGZD24_006）的资助。