寧波材料所在新型光電/突觸薄膜晶體管研究方面取得進(jìn)展
薄膜晶體管（Thin-Film Transistors，TFTs）是半導(dǎo)體工業(yè)中最基礎(chǔ)、最重要的三端電子元器件，已在平板顯示、射頻標(biāo)簽等消費(fèi)類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。近年來，TFTs在光電探測(cè)和光敏神經(jīng)突觸等領(lǐng)域已逐漸引起了人們的重視。與傳統(tǒng)兩端器件相比，光電TFTs具有以下突出優(yōu)勢(shì)：利用TFTs的柵壓控制自由度可實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)與放大的一體化，有利于后期電路設(shè)計(jì)的簡化和降低系統(tǒng)功耗；光電探測(cè)TFTs和傳統(tǒng)電功能（開關(guān)、驅(qū)動(dòng)、選址等）TFTs具有一脈相承的結(jié)構(gòu)和工藝兼容性，易于集成（甚至像素化集成），有利于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活度。
紫外光電探測(cè)器在電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、海上搜救、環(huán)境與生化檢測(cè)、森林火災(zāi)告警等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用，是世界各國競相研發(fā)的焦點(diǎn)。近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所曹鴻濤研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了兩端和三端器件的耦合，構(gòu)建了高性能可見盲紫外光電探測(cè)TFTs。由于充分利用了兩端（垂直方向內(nèi)建電場，分離電荷）和三端器件（側(cè)向源漏電場，收集電荷）的優(yōu)勢(shì)，器件的光電響應(yīng)和光敏性均得到了顯著的提高。上述成果發(fā)表于ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 8102-8109。
此外，“人工智能（AI）”已經(jīng)成為了全球的研究熱點(diǎn)之一，而突觸是基于器件層面構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)工具之一。團(tuán)隊(duì)在前期研究的耦合器件工作基礎(chǔ)之上，構(gòu)建了高靈敏、低功耗模擬視覺神經(jīng)突觸的光電子器件，器件工作在可見光和紫外光區(qū)，具有長程、短程可塑性，并具有選擇性記憶和遺忘功能。對(duì)信號(hào)強(qiáng)度低至1μW/cm2的藍(lán)色光脈沖具有響應(yīng)性，單個(gè)器件電學(xué)功耗小于10pW，并可實(shí)現(xiàn)光寫入、電擦除功能。利用高k柵介質(zhì)可進(jìn)一步降低工作電壓這一思路，團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了全透明的可見光響應(yīng)的光敏神經(jīng)突觸器件，器件可對(duì)弱光響應(yīng)，且能耗更低。上述成果發(fā)表在Nano Energy 2019, 62,772-780。
上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及寧波市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1 pn結(jié)和TFT耦合器件的工作原理及光電響應(yīng)性能
圖2 光敏神經(jīng)突觸器件用于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(yīng)方面的性能展示
?。{米事業(yè)部 梁凌燕）