光電探測器和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器作為兩種典型的光電子器件，在光信息的感知和處理方面具有重要作用。光電探測器具有快速的光響應(yīng)和高靈敏度，適用于光學傳感、通信和成像系統(tǒng)等領(lǐng)域。而神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器受人眼視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，能夠感知、存儲和處理光信號。兩種光電子器件各具特點且功能互補。因此，若能在單個器件上實現(xiàn)光電探測器和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器的集成，并可按應(yīng)用場景進行切換，將提高光電子器件的集成度并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。然而，由于兩者光響應(yīng)速度存在的矛盾，使得在單個器件上同時實現(xiàn)這兩種器件的功能集成變得尤為困難。?

為解決上述問題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心聯(lián)合研究部副研究員張興來等，構(gòu)筑了一種溝槽橋接GaN/Ga2O3/GaN雙異質(zhì)結(jié)陣列器件。通過調(diào)節(jié)Ga2O3中氧空位的電離和去電離過程，器件在低電壓和高電壓下分別表現(xiàn)出易失性和非易失性光電流。

也就是說，僅通過改變工作電壓的大小，即可在單個器件上實現(xiàn)光電探測和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器兩種角色的轉(zhuǎn)換。該器件在低電壓作為光電探測器工作時，展現(xiàn)出很快的光響應(yīng)速度（118 μs）和很高的比探測率（1.13 × 1011 Jones），并實現(xiàn)了光控邏輯電路、光電成像和光通信等復雜功能。而器件在高電壓作為神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器工作時，實現(xiàn)了包括雙脈沖易化、短程可塑性到長程可塑性的轉(zhuǎn)變、經(jīng)驗學習行為以及圖像記憶等神經(jīng)突觸特性的模擬。此外，經(jīng)過器件對圖像的神經(jīng)形態(tài)預處理后，圖像的識別效率提高了62.4%。這一研究不僅為在單個器件上同時實現(xiàn)光電探測器和神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器的各種先進功能提供了新方法，而且為實現(xiàn)機器人視覺系統(tǒng)和神經(jīng)形態(tài)計算提供了可能。?

圖1 器件的設(shè)計概念、結(jié)構(gòu)和特性。（a）根據(jù)光響應(yīng)速度特性對光電器件的功能分類示意圖。（b）GaN/Ga2O3/GaN陣列器件示意圖。（c）器件和（d）溝槽橋接Ga2O3納米線的SEM圖像。不同偏置電壓下器件的（e）瞬態(tài)光響應(yīng)以及（f）光電流衰減擬合曲線。異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖：（g）無光照和偏壓，（h）紫外光照和高偏置電壓，（i）紫外光照和低偏置電壓。（j）異質(zhì)結(jié)中O 1s的XPS能譜。

圖2 器件作為光電探測器的功能化應(yīng)用。（a）器件的成像原理圖以及所獲得的成像字母；（b）光通信系統(tǒng)的原理圖；（c）基于該器件實現(xiàn)的摩爾斯電碼傳輸。

圖3 器件作為神經(jīng)形態(tài)視覺傳感器的圖像預處理和識別功能。（a）用于圖像預處理和識別的人工神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的示意圖；（b）器件降噪前后的數(shù)字圖像；（c）器件降噪前后的圖像識別率曲線；（d）圖像訓練結(jié)果的混淆矩陣；（e）在不同背景噪聲水平（0.1-0.9）下進行圖像預處理前后的數(shù)字圖像；（f）背景噪聲水平對圖像識別率提升效果的影響。

審核編輯：劉清