APR：超低功耗分级适应不对称肖特基势垒晶体管

视觉感知系统是生物与环境互动的基础，使其能够收集信息并产生生存和繁殖所必需的适应性反应。值得注意的是，选择性记忆和适应是最独特和最基本的视觉行为之一，是视觉系统有效运作的基础。在生物学上，生物神经网络可以同时感知、记忆和处理光信息，具有高效率，低能耗和高容错率等特点。然而，基于传统冯•诺依曼架构的固态硬件很难实现这些仿生视觉行为。目前，基于二维材料的光电晶体管已经证明了具有仿生视觉适应的能力，为下一代人工视觉系统奠定了基础。但仍有一些关键问题有待解决，如优化适应过程、提高记忆效率和最优化能耗。因此，从底层器件概念出发，需要进一步发展新型器件架构，以超越传统的人类视觉功能。

针对上述问题，中南大学物理学院蒋杰课题组提出了一种基于不对称肖特基势垒的器件架构和分级适应概念，成功实现了一系列重要的选择性记忆和分级适应行为，且单突触事件功耗打破了现有记录（达到zJ量级）。该研究为具有低能耗、环境自适应和动态视觉感知性能的自动驾驶汽车和环境交互机器人的未来发展提供了重要借鉴。相关工作近日以“Reconfigurable Graded Adaptive Asymmetry-Schottky-Barrier Phototransistor for Artificial Visual System with zJ-Energy Record”为题，在线发表于著名期刊Applied Physics Reviews上。

图1.晶体管制备工艺和电学特性

肖特基势垒不仅可以有效地降低暗电流实现超低功耗，而且能有效地分离光生载流子提高响应速度。有鉴于此，我们基于不对称电极结构设计了二维MoS2光电晶体管器件架构，以实现不对称肖特基势垒接触。在设计中，选择不同功函数的金属材料，其中Ni/Au被用于源极，而Pd被用于漏极。这样的设计使得在源极和漏极界面分别形成了高低不同的肖特基势垒，进而构建出不对称的肖特基势垒结构。此外，我们通过空间分辨光电流映射证明了不对称肖特基势垒的存在。这种独特的肖特基势垒界面能有效的捕获电荷，从而模拟生物记忆行为，同时在实现生物适应功能上也具有重要价值（如图1所示）。

图2.不对称肖特基势垒晶体管的KPFM表征和能带原理图

通过进一步的相关表征结果证实：该新型光电晶体管的源、漏极金属/半导体接触界面确实存在不同的肖特基势垒。基于KPFM结果，结合金属功函数进一步深入分析能带机制，发现不同的偏置电压可以有效地调节肖特基势垒和陷阱态。这为后续实现可重构的仿生视觉选择性记忆和分级适应行为奠定了基础（如图2所示）。

图3.视觉选择性记忆行为

通过对比正负偏置下的光突触性能，发现正偏置下的突触记忆效果随着强度的增大而保持不变，而负偏置下的突触记忆效果呈现下降趋势，类似于生物视觉选择性记忆行为。并且突触的EPSC响应在正负偏置下，分别表现出线性和指数的可重构调控特性。此外，得益于肖特基势垒，不对称肖特基突触器件显示出单突触事件90 zJ的功耗现有记录（如图3所示）。

图4.可重构的分级适应行为

重要的是，基于正负偏置下的不对称肖特基势垒特性，还可以实现快速的分级适应行为，在保证灵敏度的同时还能兼顾准确度（如图4所示）。最后，基于光-电协同刺激策略，进一步模拟了视网膜的几种适应机制，包括快适应、慢适应和周围适应（如图5所示）。这些结果不仅有效地验证了提出的选择性记忆和分级适应概念，而且为视觉适应系统的进一步应用提供了一个全新思路。

图5.光电协同的适应行为

中南大学物理学院博士生宋泓霖为论文第一作者；中南大学物理学院蒋杰教授为通讯作者。特别感谢中南大学物理学院周瑜教授和钟绵增教授团队在器件表征方面的支持。该工作得到了国家自然科学基金（No. 52172169）和湖南省杰出青年科学基金（2023JJ10069）等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.60893/figshare.apr.c.7811135.v1