近年来，感-存-算一体的器件被认为是未来实现先进计算架构的重要硬件，在信息捕获，数据存储和处理方面具有显著优势。受人类大脑的启发，神经形态器件得到了广泛的研究。相比于电学信号刺激下工作的仿生突触器件，光学信号调制的突触具有高带宽、高抗干扰性和低功耗等优势，更适合超高速计算。此外，光突触器件提供了非接触式写入来实现无线通信的可能。更重要的是，其还有利于模仿真实人眼中的视网膜神经元，从而进一步实现类人脑的感存算一体功能。
近日，复旦大学微电子学院陈琳/孟佳琳团队报道了一种具有自整流特性的全光学调制电导的忆阻器阵列。相关成果以Self-Rectifying All-Optical Modulated Optoelectronic Multistates Memristor Crossbar Array for Neuromorphic Computing为题发表于Nano Letters。
图1 全光控忆阻器阵列示意图
研究团队首先利用能带调制在器件内部建立内建电场，从而实现>104的整流比来抑制器件在阵列集成中的串扰问题，使得器件在阵列中不需要额外的非线性元件如1S1R或1T1R，极大简化工艺流程，进一步降低硬件设计成本。随后通过蓝光/紫外光脉冲信号的刺激，可使得器件电导可逆地升高/降低，从而实现传统电学忆阻器的set/reset。
基于上述性能，研究团队成功通过纯光学脉冲信号调制实现了人脑中突触功能，包括长时程增强、长时程抑制、短期记忆到长期记忆的转变和学习遗忘行为，显示出阵列在光学信号刺激下的感知和学习能力。除此之外，器件还表现出良好的非易失性。在连续光照下，器件的电阻态可在高阻态与低阻态之间切换，并具有超过1000秒的保持特性，实现了阵列在光学信号作用下的信息存储能力。这项工作对光电神经形态器件的实际应用提供了一种有效的可能性。
图1. 阵列在蓝光/紫外光脉冲作用下实现的突触特性
图2 阵列在蓝光/紫外光连续照射下表现出的多态存储及阵列均一性
复旦大学微电子学院教授陈琳、博士后孟佳琳为通讯作者，课题组博士生路宸为第一作者。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04358
