新型光電/突觸薄膜晶體管研究取得進展

薄膜晶體管（Thin-Film Transistors，TFTs）是半導體工業中最基礎、最重要的三端電子元器件，已在平板顯示、射頻標籤等消費類產品中廣泛應用。近年來，TFTs在光電探測和光敏神經突觸等領域已逐漸引起了人們的重視。與傳統兩端器件相比，光電TFTs具有以下突出優勢：利用TFTs的柵壓控制自由度可實現信號檢測與放大的一體化，有利於後期電路設計的簡化和降低系統功耗；光電探測TFTs和傳統電功能（開關、驅動、選址等）TFTs具有一脈相承的結構和工藝兼容性，易於集成（甚至像素化集成），有利於提高系統設計的靈活度。

紫外光電探測器在國防領域、電網安全監測、醫學成像、海上搜救、環境與生化檢測、森林火災告警等諸多領域有重要應用，是世界各國競相研發的焦點。近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所曹鴻濤研究團隊通過在耗盡型的SnOx/IGZO薄膜晶體管背溝道表面修飾p型PEDOT:PSS薄膜，實現了兩端和三端器件的耦合，構建了高性能可見盲紫外光電探測TFTs。由於充分利用了兩端（垂直方向內建電場，分離電荷）和三端器件（側向源漏電場，收集電荷）的優勢，器件的光電響應和光敏性均得到了顯著的提高。上述成果發表於ACS Appl. Mater. Interfaces2018, 10, 8102-8109。

此外，「人工智慧（AI）」已經成為全球的研究熱點之一，而突觸是基於器件層面構建人工神經網路的重要基礎工具之一。團隊在前期研究的耦合器件工作基礎之上，構建了高靈敏、低功耗模擬視覺神經突觸的光電子器件，器件工作在可見光和紫外光區，具有長程、短程可塑性，並具有選擇性記憶和遺忘功能。對信號強度低至1μW/cm2的藍色光脈衝具有響應性，單個器件電學功耗小於10pW，並可實現光寫入、電擦除功能。利用高k柵介質可進一步降低工作電壓這一思路，團隊還構建了全透明的可見光響應的光敏神經突觸器件，器件可對弱光響應，且能耗更低。上述成果發表於Nano Energy2019, 62,772-780。

上述工作得到國家自然科學基金、中科院國際合作重點項目、寧波市科技創新團隊以及寧波市自然科學基金等的資助。

圖2 光敏神經突觸器件用於視覺模擬的示意性方案及耦合器件在長程、短程可塑性和寬光譜響應方面的性能展示

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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