近年来，随着 5G 技术、人工智能和大数据等产业的持续发展，对海量数据的存储和处理速度要求越发严苛。在传统冯·诺依曼架构计算体系中，处理单元和存储单元之间的物理分离所导致的数据传输速度不匹配和工作能效低等问题已经逐渐显现出来。近年来国内外尝试通过神经形态并行计算替代冯·诺依曼中的序列逻辑运算，成为最有前途的高效信息处理技术之一。受突触在神经元之间传递信息的启发，类突触器件是神经形态计算系统中的基本组成部分。其中，新兴的光电突触器件采用光电双调制模式，为模拟视觉系统提供了绝佳机会。目前IGZO、ZnO和有机材料等已被探索用于构建光电突触器件，其中具有氧空位 (V_o) 缺陷的氧化物被认为是有前途的候选者之一，这源于与V_o相关的PPC现象被认为是实现突触功能的基础。第四代半导体a-Ga₂O₃具有超宽带隙(4.5-4.9 eV)、超高光响应和超长PPC现象等优点，为构建低功耗人工突触器件提供了创新途径，这也为实现感存算一体的光电忆阻器奠定了基础。

    近日，河南大学物理与电子学院郑海务教授团队和中国科学院物理研究所葛琛研究员合作开发了一种基于柔性a-Ga₂O₃/ZnO薄膜异质结的人工光电突触器件。该器件基于265 nm光照下的持续光电导效应模拟了突触的基本功能。异质结中应变诱导的压电光电子学效应可有效调节突触的可塑性，其作用类似于神经调节剂与生物突触的相互作用。应变诱发的额外自由度控制着学习过程中突触权重的更新速率和遗忘过程中突触权重的衰减。其工作机制是由应变诱导的压电势引起的能带弯曲决定了载流子的分离/输运和电离氧空位的复合效应。由该异质结器件构建的人工神经网络对MNIST图像的识别准确率高达92.31%。这项工作展示了超宽带隙半导体在人工光电突触中的应用前景，为多种刺激调节突触可塑性开辟了新途径。该成果以“Piezo-phototronic effect modulated optoelectronic artificial synapse based on a-Ga₂O₃/ZnO heterojunction”为题发表在Nano Energy120(2024)109128, 张亚菊博士、葛琛研究员和郑海务教授为共同通讯作者。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109128

    总之， a-Ga₂O₃/ZnO异质结突触器件具有巨大的高层次信息处理潜力。触发突触事件的总能量消耗仅为316.86 fJ，接近生物突触的能量消耗。基于a-Ga₂O₃/ZnO的人工神经网络对MNIST图像的识别精度达到92.31%。这项工作不仅为开发基于超宽禁带半导体的光电突触器件奠定了基础，而且拓展了压电光电子效应在调节神经形态视觉系统中的应用。

郑海务教授简介 

  郑海务，博士生导师，河南省特聘教授，河南省优秀教师，入选美国斯坦福大学2022年全球前2%科学家榜单。河南省学位委员会第四届学科评议组成员，河南省优秀硕士(学士)论文指导教师。近年来发表第一作者或通讯作者SCI论文近40篇，部分论文发表在Adv. Funct. Mater., Nano Energy, ACS Nano, Appl. Phys. Lett.等国际权威期刊。以第一完成人获得省级奖励2项，第一发明人获授权国家发明专利16件。

葛琛研究员简介

  葛琛，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，中国科学院青年创新促进会优秀会员。研究方向为面向神经形态计算的氧化物光电材料、物理与器件。在包括Nature Mater.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表论文若干，主持了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、中国科学院等多个项目。