金屬所雙重功能光電子器件研究取得進展

　　光電探測器和神經形態視覺傳感器作為兩種典型的光電子器件，在光信息的感知和處理方面具有重要作用。光電探測器具有快速的光響應和高靈敏度，適用于光學傳感、通信和成像系統等領域。而神經形態視覺傳感器受人眼視覺系統的啟發，能夠感知、存儲和處理光信號。兩種光電子器件各具特點且功能互補。因此，若能在單個器件上實現光電探測器和神經形態視覺傳感器的集成，并可按應用場景進行切換，將提高光電子器件的集成度并拓寬其應用領域。然而，由于兩者光響應速度存在的矛盾，使得在單個器件上同時實現這兩種器件的功能集成變得尤為困難。
 

　　為解決上述問題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心聯合研究部副研究員張興來等，構筑了一種溝槽橋接GaN/Ga2O3/GaN雙異質結陣列器件。通過調節Ga2O3中氧空位的電離和去電離過程，器件在低電壓和高電壓下分別表現出易失性和非易失性光電流。也就是說，僅通過改變工作電壓的大小，即可在單個器件上實現光電探測和神經形態視覺傳感器兩種角色的轉換。該器件在低電壓作為光電探測器工作時，展現出很快的光響應速度(118 μs)和很高的比探測率(1.13 × 1011 Jones)，并實現了光控邏輯電路、光電成像和光通信等復雜功能。而器件在高電壓作為神經形態視覺傳感器工作時，實現了包括雙脈沖易化、短程可塑性到長程可塑性的轉變、經驗學習行為以及圖像記憶等神經突觸特性的模擬。此外，經過器件對圖像的神經形態預處理后，圖像的識別效率提高了62.4%。這一研究不僅為在單個器件上同時實現光電探測器和神經形態視覺傳感器的各種先進功能提供了新方法，而且為實現機器人視覺系統和神經形態計算提供了可能。
 

　　近日，相關研究成果以Dual-mode conversion of photodetector and neuromorphic vision sensor via bias voltage regulation on a single device為題，發表在《先進材料》(Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.202308090)上。
 

 

　　圖1. 器件的設計概念、結構和特性。(a)根據光響應速度特性對光電器件的功能分類示意圖。(b)GaN/Ga2O3/GaN陣列器件示意圖。(c)器件和(d)溝槽橋接Ga2O3納米線的SEM圖像。不同偏置電壓下器件的(e)瞬態光響應以及(f)光電流衰減擬合曲線。異質結的能帶結構示意圖：(g)無光照和偏壓，(h)紫外光照和高偏置電壓，(i)紫外光照和低偏置電壓。(j)異質結中O 1s的XPS能譜。
 

 

　　圖2. 器件作為光電探測器的功能化應用。(a)器件的成像原理圖以及所獲得的成像字母；(b)光通信系統的原理圖；(c)基于該器件實現的摩爾斯電碼傳輸。
 

 

　　圖3. 器件作為神經形態視覺傳感器的圖像預處理和識別功能。(a)用于圖像預處理和識別的人工神經形態視覺系統的示意圖；(b)器件降噪前后的數字圖像；(c)器件降噪前后的圖像識別率曲線；(d)圖像訓練結果的混淆矩陣；(e)在不同背景噪聲水平(0.1-0.9)下進行圖像預處理前后的數字圖像；(f)背景噪聲水平對圖像識別率提升效果的影響。