中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院孫海定教授iGaN Lab課題組與武漢大學(xué)劉勝院士團隊合作，在仿生光電神經(jīng)感知器件的前沿研究中取得重要進(jìn)展。研究團隊成功開(kāi)發(fā)以第三代半導體氮化鎵（GaN）為核心材料的光電神經(jīng)突觸器件，實(shí)現具有化學(xué)調控的神經(jīng)形態(tài)功能。該器件首次提出利用光電化學(xué)器件架構，結合傳統半導體構筑新型半導體/電解質(zhì)異質(zhì)界面，并逼真模擬了生物體中的復雜視覺(jué)行為。該成果以“Optoelectronic synapses with chemical-electric behaviors in gallium nitride semiconductors for biorealistic neuromorphic functionality”為題，近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。
隨著(zhù)人工智能和大數據時(shí)代的迅猛發(fā)展，數據量和信息處理需求急劇增長(cháng)，而光電感知技術(shù)作為現代信息傳輸和處理的核心手段，顯得愈發(fā)關(guān)鍵。受生物視覺(jué)啟發(fā)的光電神經(jīng)突觸器件，有望將光電感知、信息存儲和信息處理功能集成到同一系統中，為多功能和集成化感知系統的開(kāi)發(fā)提供全新途徑。然而，現有的光電神經(jīng)突觸器件主要依賴(lài)于傳統光電物理過(guò)程，無(wú)法有效模擬生物視覺(jué)系統中復雜的化學(xué)-光電全過(guò)程，較大程度限制了其功能性和應用場(chǎng)景。
近年來(lái)，光電化學(xué)器件因其將物理和化學(xué)過(guò)程相結合的獨特工作優(yōu)勢，逐漸成為研究熱點(diǎn)。該類(lèi)器件不僅涵蓋了經(jīng)典半導體物理中的光生載流子的產(chǎn)生、提取和輸運行為，還包括在半導體/電解質(zhì)溶液界面上的電化學(xué)反應過(guò)程，為實(shí)現更復雜的光電功能提供了新的器件架構。在前期研究中，團隊利用分子束外延技術(shù)所制備的高質(zhì)量的GaN納米線(xiàn)，在p-n異質(zhì)結納米線(xiàn)中首次實(shí)現光電流極性翻轉現象（Nat. Electron. 4, 645–652 (2021)），并將其應用于光電邏輯門(mén)和水下加密光通信系統中（Adv. Mater. 35, 2300911 (2023); Adv. Mater. 36, 2307779 (2024)），相關(guān)研究成果被選為封面論文發(fā)表。
在光電化學(xué)器件原型基礎上（如Advanced Materials封面所示如下），并針對現有光電神經(jīng)突觸器件所面臨的挑戰，團隊提出基于GaN納米線(xiàn)的光電化學(xué)神經(jīng)形態(tài)器件架構。該架構首次將生物系統中的溶液介導的化學(xué)-電過(guò)程與固態(tài)器件中的光電過(guò)程相結合，顯著(zhù)提升了器件的功能性和生物兼容性（圖1（a）和（b））。
圖1 生物視覺(jué)系統（a）和光電化學(xué)神經(jīng)突觸器件（b）對比，以及光電化學(xué)器件原型發(fā)表于先進(jìn)材料封面（c）上
通過(guò)這種新型器件的構筑，團隊實(shí)現了雙模式的突觸行為，并通過(guò)表面鉑金屬的化學(xué)修飾，利用新型半導體/電解質(zhì)表界面結構，成功調控了器件的突觸響應行為。同時(shí)，該器件還展現了類(lèi)生物系統的化學(xué)調控突觸特性。更為重要的是，該器件能夠模擬人體內的氧化應激過(guò)程，并進(jìn)一步重現氧化應激引發(fā)的視覺(jué)認知衰退現象，如圖2a-2e所示。
圖2 光電神經(jīng)形態(tài)器件的響應與功能展示。（a-b）負載鉑金屬前后的雙模式突觸響應。
（c）生物體內氧化應激現象示意。（d）器件模擬的學(xué)習與記憶衰退行為。（e）器件模擬的視覺(jué)感知衰退行為
這一器件架構不僅突破了傳統光電神經(jīng)突觸器件的局限性，借助其獨特的溶液工作環(huán)境，還能夠與生物系統兼容并實(shí)現一體化集成，有望在仿生視覺(jué)、神經(jīng)形態(tài)生物傳感、光控腦機接口和神經(jīng)假肢修復等領(lǐng)域開(kāi)辟新的應用前景，為未來(lái)光電子與生物電子的交叉與集成應用提供新的發(fā)展方向。
此項研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、中國科大雙一流建設經(jīng)費、中央高?；究蒲谢鸬葘?zhuān)項經(jīng)費的資助，也得到中國科大微電子學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心和中國科大理化實(shí)驗中心的支持。中國科大孫海定教授為論文通訊作者，博士生劉鑫、已畢業(yè)汪丹浩博士和博士生陳煒為論文的共同第一作者。澳大利亞國立大學(xué)傅嵐教授和沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)Boon Ooi教授參與了項目的聯(lián)合攻關(guān)，劉勝院士為本項目的順利展開(kāi)提供了重要設備支撐并全程指導。
