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中国科学：信息科学 2020年第6期50卷 892-912页

作者：李雅瑶王越杨德仁皮孝东浙江大学硅材料国家重点实验室和材料科学与工程学院杭州310027

神经形态计算(类脑计算)以其自适应学习、高并行计算和低功耗等优点,被认为是最有希望解决冯·诺依曼(von Neumann)瓶颈的方法之一.实现神经形态计算的重要前提是开发能模拟生物突触行为的神经突触器件.电学神经突触器件是首先发展起来... 详细信息

神经形态计算(类脑计算)以其自适应学习、高并行计算和低功耗等优点,被认为是最有希望解决冯·诺依曼(von Neumann)瓶颈的方法之一.实现神经形态计算的重要前提是开发能模拟生物突触行为的神经突触器件.电学神经突触器件是首先发展起来的神经突触器件,但是它们在统筹考虑带宽、连接、密度等因素下的整体优化面临着很大的挑战.近年来,把光引入神经突触器件,研制光电神经突触器件,为神经突触器件的发展带来了新机遇.对神经突触器件而言,光不仅具备电难以实现的高带宽、低串扰、低功率和无延迟等特性,还可以直接模拟视觉等至关重要的神经行为.光电神经突触器件作为基于光电集成的人工神经网络的基础,有望有力促进高性能和低功耗的神经形态计算的发展.本文主要介绍了光电神经突触器件的基本性能和类别,展示了已经实现的光电神经突触器件的模拟应用,并展望了今后光电神经突触器件的发展.

关键词：光电神经突触器件突触可塑性能耗氧空位离化与去离化载流子俘获与释放

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基于聚（3-己基噻吩）和硅纳米晶体的光电神经突触器件研究

基于聚（3-己基噻吩）和硅纳米晶体的光电神经突触器件研究

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作者：李雅瑶浙江大学

学位级别：硕士

神经形态计算（类脑计算）以其自适应学习、高并行计算和低功耗等优点,被认为是最有希望解决冯·诺依曼（von Neumann）瓶颈的方法之一。实现神经形态计算的重要前提是开发能模拟生物突触行为的神经突触器件。电学神经突触器件是首先发... 详细信息

神经形态计算（类脑计算）以其自适应学习、高并行计算和低功耗等优点,被认为是最有希望解决冯·诺依曼（von Neumann）瓶颈的方法之一。实现神经形态计算的重要前提是开发能模拟生物突触行为的神经突触器件。电学神经突触器件是首先发展起来的神经突触器件,但是它们在统筹考虑带宽、连接、密度等因素下的整体优化面临着很大的挑战。近年来,把光引入神经突触器件,研制光电神经突触器件,为神经突触器件的发展带来了新机遇。对神经突触器件而言,光不仅具备电难以实现的高带宽、低串扰、低功率和无延迟等特性,还可以直接模拟视觉等至关重要的神经行为。光电神经突触器件作为基于光电集成的人工神经网络的基础,有望有力促进高性能和低功耗的神经形态计算的发展。在本文中,我们首先采用经典的有机半导体材料聚（3-己基噻吩）（P3HT）制备了晶体管型光电神经突触器件。该器件在光脉冲刺激产生的光栅控效应下可以模仿一系列重要的神经突触功能。同时,通过衬底栅电极施加电脉冲刺激也可以实现最基本的神经突触功能。最重要的是,通过光脉冲刺激和电脉冲刺激的协同作用还可以实现交叉模态学习功能。由于硼掺杂的硅纳米晶体在紫外（UV）到近红外（NIR）的宽光谱范围内均具有光吸收,将其引入神经突触器件可以赋予器件对紫外到近红外范围的光的宽谱响应。基于此,我们设计制备基于P3HT/掺硼硅纳米晶体的有机无机杂化光电神经突触器件。杂化结构使得神经突触器件具有光谱范围更广、速度更快的光响应,综合性能更优异。这两方面工作丰富了可应用于神经突触器件的材料体系,有望为未来高性能计算等领域的发展提供新的技术路线。具体的研究内容如下:（1）制备基于P3HT的晶体管型光电神经突触器件,利用紫外可见近红外分光光度计、原子力显微镜（AFM）、光学显微镜（OM）等表征手段测试了材料光吸收特性、表面粗糙度和器件结构等基本性能,接着在单个器件上分别施加不同持续时间、间隔时间、刺激次数和刺激频率的电、光脉冲刺激来模拟兴奋型神经突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）、短程可塑性（STP）向长程可塑性（LTP）转变等基本的突触功能,并对其机理进行解释。由于器件对光信号信息和电信号信息的保持方面存在差异性,我们进行了光电耦合研究,实现了光电联合刺激下的交叉模态学习功能。（2）利用冷等离子体法制备了具有从紫外、可见到近红外宽光谱范围内光吸收良好的掺硼硅纳米晶体,并将其与P3HT结合制备成光电神经突触器件。首先采用X射线衍射（XRD）和高分辨透射电子显微镜（TEM）对晶体尺寸和结晶特性进行基本表征,测试对比杂化前后膜的吸光特性,并用SEM对器件的结构进行表征。接着我们测试了基于P3HT/掺硼硅纳米晶体的光电神经突触器件在532 nm光脉冲刺激下的基本神经突触可塑性,并和纯P3HT神经突触器件的光响应情况进行对比,分析器件工作原理。最后,测试器件在375 nm和1342 nm光脉冲刺激下的情况,利用器件对532 nm和375 nm光脉冲的不同响应情况模拟超线性（Superlinear）和次线性（Sublinear）行为。

关键词：光电神经突触器件聚(3-己基噻吩) 硅纳米晶体光电耦合突触性能

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基于硅纳米晶体的光电神经突触器件研究

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作者：谭华浙江大学

学位级别：硕士

随着物联网(IoT)、大数据(BD)和人工智能(AI)领域的崛起,人们对低能耗、高适应性计算的需求日益增长。神经拟态计算具有与传统冯·诺依曼计算完全不同的信息处理方式,通过模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力,因此神经拟... 详细信息

随着物联网(IoT)、大数据(BD)和人工智能(AI)领域的崛起,人们对低能耗、高适应性计算的需求日益增长。神经拟态计算具有与传统冯·诺依曼计算完全不同的信息处理方式,通过模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力,因此神经拟态计算可能成为后冯诺依曼时代的主角。而这一功能的实现首先需要模拟出和大脑基本单元神经突触一样工作的器件——神经突触器件。虽然电子神经突触器件研究取得了长足的进步,但仍然面临着低带宽和互联串扰等问题。光电神经突触器件引用光学处理机制,很好地解决了上述困扰。目前,虽然已经有一些新颖的材料被用来制备光电神经突触器件,但传统冯·诺依曼计算硬件体系中最基础的硅材料,还没有被研究应用到光电神经突触器件领域。在本文中,我们利用硅最重要的存在形式之一——硅纳米晶体来制备光电神经突触器件。掺杂后硅纳米晶体可以有效吸收紫外一近红外(～2μm)的光子,大大扩展了光电神经突触器件的工作宽带。我们利用宽光谱的脉冲激光作为突触尖峰,刺激器件模拟出一系列的主要的生物突触可塑性。同时发现,器件可塑性的产生与硅纳米晶体表面悬挂键引起的陷阱态动态俘获和释放光生载流子有关。本工作采用硅纳米晶体制备宽光谱光电神经突触器件对硅应用到神经拟态计算具有重要的推动意义。论文的研究内容主要包括:1.采用冷等离子法制备硅纳米晶体(Si-NC),通过在气相中引入硼烷,制备出硼掺杂的硅纳米晶体。利用X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱和透射电子显微镜(TEM)表征出硼掺杂硅纳米晶体的结构和形貌信息。扫描隧道显微镜(STM)、电子顺磁共振(EPR)、晶体管和变温电导测试显示出硼掺杂硅纳米晶体电子结构中存在明显的陷阱态和带尾态,陷阱态与硅纳米晶体表面的悬挂键有关,带尾态由硼掺杂引起。紫外-可见-近红外吸收光谱也证实了带尾态使其光学禁带宽度减小,有利于提高光电神经突触器件的工作带宽。2.采用氧化铟锡(ITO)/Si-NC/铝(Al)“三明治”式器件结构,首先在玻璃基底上制备了硅纳米晶体光电神经突触器件。利用脉冲激光作为突触尖峰,刺激单个器件模拟出突触后兴奋电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、短时程可塑性(STP)和长时程可塑性(LIP)等行为。随后将两个突触器件耦合,分别作为突触前和突触后神经元,两束间隔时间为△tpre-post的脉冲激光分别刺激前后神经元,模拟尖峰时序可塑性(STDP)。耦合器件中能观察到非对称STDP原因在于Al/Si-NC界面上存在肖特基势垒,同时前后神经元的载流子传输距离也存在差异。结合对硼掺杂硅纳米晶体光电性质的表征,我们认为硅纳米晶体中的陷阱态对载流子的俘获与释放是器件可塑性产生的关键原因。而紫外光刺激下器件非易失性记忆效应的产生与Si-NC的光吸收性质以及Al/Si-NC界面的氧空位离化有关。

关键词：硅纳米晶体掺杂宽光谱光电神经突触器件神经拟态计算

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