浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院李林軍研究員團(tuán)隊，采用銀納米光柵局域表面等離激元與波導(dǎo)模式強(qiáng)耦合以及浮柵側(cè)柵壓調(diào)控相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了超快速、低能耗、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的光電晶體管陣列器件，并首次展示了集感知、預(yù)處理、智能計算于一體的高準(zhǔn)確度彩色圖像識別。研究成果以“High performance artificial visual perception and recognition with a plasmon-enhanced 2D material neural network”為題于2024年3月19日發(fā)表于《Nature Communications》。

信息技術(shù)發(fā)展日新月異帶來了井噴式海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，給基于傳統(tǒng)馮?諾伊曼架構(gòu)的存儲和計算帶來能耗和速度方面的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。近年來基于存算一體的類腦計算模式得到廣泛關(guān)注和研究，其目標(biāo)即是以極少的器件、極低的功耗、極快的速度實現(xiàn)對信息的實時處理。相比于純光或純電網(wǎng)絡(luò)，光電融合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時具有多功能、速度快、低功耗和與傳統(tǒng)信息媒介兼容等優(yōu)點，因此被廣泛采用和研究。目前已報導(dǎo)的光電融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)器件的研究主要用于對灰度圖像的感知和智能識別任務(wù)，集中在降低能耗、提高速度和識別準(zhǔn)確度方面，或是針對目標(biāo)移動圖像、圖像動態(tài)范圍等不同應(yīng)用場景的針對性算法與器件功能匹配方面的研究。對彩色圖像的快速感知、高準(zhǔn)確度識別的研究報導(dǎo)很少，因此還不能實現(xiàn)完整的模擬人眼腦功能結(jié)合的人工視覺系統(tǒng)。

針對以上問題，李林軍研究組通過在二維材料光電器件領(lǐng)域的長期探索，以實現(xiàn)集感知、預(yù)處理、智能計算為目標(biāo)，設(shè)計制造出了微納光電晶體管陣列器件（如圖1所示）。在此基礎(chǔ)上通過側(cè)柵、源漏偏壓調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，并通過有監(jiān)督學(xué)習(xí)的訓(xùn)練，實現(xiàn)對彩色圖像的感知、預(yù)處理和高準(zhǔn)確度識別。該器件陣列同時實現(xiàn)了極高動態(tài)范圍（180dB），極低單脈沖能耗（2.4 × 10^?17 J）和較快的計算速度（500ns/spike）。該工作首次展示了快速低能耗的類人眼腦功能結(jié)合的完整人工視覺系統(tǒng)。

圖1 基于類人眼腦視覺系統(tǒng)設(shè)計的高性能光電晶體管陣列器件示意圖

和器件的掃描電子顯微鏡圖像。

單個的微納光電晶體管是通過銀光柵的局域表面等離激元與氧化銦錫波導(dǎo)模式的強(qiáng)耦合，并結(jié)合二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱電效應(yīng)和浮柵效應(yīng)，實現(xiàn)了快速且高效光電轉(zhuǎn)化（如圖2所示）。

圖2. 單個等離激元強(qiáng)耦合光電晶體管結(jié)構(gòu)和高效光電轉(zhuǎn)化原理示意圖。

通過改變單個光電晶體管的偏壓，調(diào)節(jié)光電晶體管陣列的單元光電響應(yīng)度（對應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值），根據(jù)歐姆定律和基爾霍夫電流加和原理，對輸出的通道值與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行計算，調(diào)節(jié)權(quán)重，達(dá)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目的。由于側(cè)柵賦予的預(yù)處理功能的加入，使得達(dá)到高精度識別的訓(xùn)練過程大為縮短，進(jìn)一步實現(xiàn)了能耗的降低（如圖3所示）。

圖3. 光電晶體管陣列對圖像預(yù)處理和高效訓(xùn)練高準(zhǔn)確度識別結(jié)果。

以上研究結(jié)果是該團(tuán)隊在以超快低能耗感存算光電應(yīng)用為目標(biāo)，以低維關(guān)聯(lián)電子材料器件為載體的近期階段性成果，主要由李林軍研究員指導(dǎo)博士生張?zhí)焱瓿桑怆妼W(xué)院童利民教授等參與指導(dǎo)。由于高質(zhì)量介電材料鍍膜工藝的限制，該工作中浮柵器件的獨(dú)特非易失性還沒能實現(xiàn)，影響了器件功耗的進(jìn)一步降低和多功能的實現(xiàn)。該團(tuán)隊將繼續(xù)探索包括鐵磁、鐵電、超導(dǎo)、等離激元在內(nèi)的關(guān)聯(lián)電子體系的特殊光電響應(yīng)性質(zhì)及其潛在的應(yīng)用。在后摩爾時代，聚焦對關(guān)聯(lián)電子材料或者拓?fù)淞孔硬牧系炔煌趥鹘y(tǒng)半導(dǎo)體材料的新型光電響應(yīng)性質(zhì)及其在智能感知計算應(yīng)用的探索，將是對算力，功耗問題的富有潛力的解決方案之一。

該團(tuán)隊之前還通過研究低維量子材料的相變過程，研發(fā)了用于寬波段高響應(yīng)度的光電探測器件，從紫外到中遠(yuǎn)紅外區(qū)域（0.3-10微米）實現(xiàn)了最低值超過10A/W的響應(yīng)度，有望用于制造基于單一材料的低成本超寬波段光譜分析設(shè)備。文章于2024年2月發(fā)表在綜合性期刊Advanced Science上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46867-8#article-comments

https://www.sohu.com/a/747667031_121124715