Phototransistor IGZO/In2O3 NW/IGZO haute performance avec architecture à hétérojonctions pour le traitement d’images et le calcul neuromorphique
Les dispositifs synaptiques artificiels sont largement utilisés dans les systèmes informatiques non-von-Neumann pour obtenir un comportement d’apprentissage autonome [1], [2], [3], [4] et calcul de type cérébral [5], [6], [7], [8], [9], [10] parce qu’ils sont implémentés dans des systèmes neuromorphiques pour imiter les signaux synaptiques biologiques [11], [12], [13]. Par exemple, en matière de suivi médical, le MoS2La synapse photoélectroactive à hétérostructure /h-BN fonctionne sous co-stimulation de pointes optiques et électriques [14]. La stimulation optique par pointe améliore et inhibe la pondération synaptique, tandis que la stimulation électrique par pointe détermine le modèle de pondération. Ce mode de fonctionnement unique facilite une précision améliorée dans la formation et l’inférence de modèles d’électrocardiogramme humain simulés et est prometteur pour une application dans les réseaux neuronaux matériels. De plus, les dispositifs synaptiques artificiels de haute précision sont également des composants indispensables dans les systèmes artificiels de stimulation-réponse. [15]. Au cours des dernières années, différents types structurels de synapses artificielles ont été présentés pour imiter les fonctions synaptiques, comme les memristors à structure à deux terminaisons. [16], [17], [18], [19], [20]transistors à effet de champ (FET) avec structure à trois bornes [21,22]mémoires ferroélectriques [23], [24], [25], etc., dont les fonctions sont réalisées en grande partie par la stimulation électrique de l’électronique. Par exemple, Cao et coll. [26] ont proposé un nocicepteur à seuil biodégradable basé sur un memristor flexible W/Mg/MgO/W pour l’émulation de la perception de la douleur. La commutation de seuil de ce nocicepteur est due au fait qu’une tension négative est appliquée aux électrodes de la couche de MgO, la formation de filaments conducteurs de Mg dans le MgO passe d’un état de résistance élevée à un état de résistance faible. Lorsque la tension appliquée est supprimée, les filaments conducteurs se cassent spontanément et l’appareil revient à l’état de haute résistance. De plus, un dispositif synaptique artificiel doté de caractéristiques de mémoire non volatile (programmation/effacement) basé sur un InSe FET naturellement oxydé a été démontré par le groupe de Lin. [1]. Avec différents stimuli électriques et séquences temporelles entre les pointes présynaptiques et post-synaptiques, l’appareil a simulé avec succès les fonctions synaptiques de base telles que la plasticité à court terme (STP) pour la facilitation des impulsions appariées (PPF), la plasticité à long terme (LTP) pour le temps de pointe. la plasticité dépendante (STDP) et la tâche de reconnaissance d’images numériques au niveau du système basées sur des réseaux de neurones artificiels. Contrairement aux dispositifs synaptiques à structure à deux terminaux, les dispositifs à structure à trois terminaux permettent une intégration plus poussée avec les fonctions neuronales tactiles à l’autre extrémité, en plus d’imiter l’apprentissage, la mémoire et le calcul du réseau neuronal du système nerveux central. [27]. Malgré ces réalisations remarquables, il est indéniable que les dispositifs synaptiques artificiels dotés de ces structures présentent leurs propres défauts. L’un des problèmes courants est que la vitesse à laquelle les dispositifs neuronaux peuvent fonctionner est limitée en raison de compromis entre la bande passante et la densité de connexion et de problèmes d’interconnexion. [28], [29], [30], [31]. Dans ces circonstances, des dispositifs synaptiques optoélectroniques à faible diaphonie, faible consommation d’énergie et haute immunité aux interférences ont vu le jour. En raison de leurs avantages évidents par rapport aux synapses artificielles traditionnelles, les dispositifs synaptiques optoélectroniques ont démontré des applications prometteuses dans l’informatique ultra-rapide, la robotique d’interaction homme-robot, les prothèses, l’imitation rapide de la perception visuelle, etc. [32], [33], [34].
Les oxydes métalliques ont été considérés comme l’un des matériaux candidats pour les dispositifs neurosynaptiques optoélectroniques à trois bornes. L’ionisation des lacunes en oxygène est déclenchée par l’application d’une série d’impulsions lumineuses, et l’effet de photoconductivité persistante (PPC) qui en résulte modifie la conductivité du matériau, permettant ainsi la fonction synaptique. [35], [36], [37], [38], [39]. Par exemple, Lee et coll. [40] ont préparé un dispositif neuromorphique optoélectronique à base d’oxyde de zinc d’indium et de gallium amorphe (IGZO). Le comportement de la mémoire à long terme (LTM) a été observé à des fréquences plus élevées, tandis que le comportement de la mémoire à court terme (STM) a été simulé à des fréquences plus basses. Cependant, ce transistor neuro-synaptique à base d’oxyde métallique unique présente une altération irréversible de la photoconductivité sous une forte lumière en raison de la densité élevée des trous. De plus, Wang et ses collègues [41] ont rapporté la fabrication d’un transistor synaptique artificiel excité par les UV en utilisant des nanofils (NW) d’oxyde d’étain-zinc-indium (IZTO) qui ont été synthétisés par approche de filage électrostatique. Bien que le dispositif tel que fabriqué puisse effectivement réaliser les comportements STP et LTP, il présente cependant une sensibilité très relativement faible aux impulsions lumineuses à des intervalles inférieurs à 100 ms en raison de défauts de surface. Récemment, certains groupes ont proposé GaN/Ga2Ô3Dispositifs à double hétérojonction dos à dos /GaN et introduction d’une couche de coque en ZnS pour construire des structures ZnS/ZnO/ZnS, dans le but de moduler l’ionisation et la désionisation des lacunes d’oxygène dans les oxydes métalliques [42,43]. La conductivité des dispositifs neurosynaptiques à base d’oxyde métallique a également été contrôlée avec succès en ajustant la tension de polarisation. [42]. Malheureusement, ces dispositifs synaptiques restent insensibles à la stimulation optique à largeur d’impulsion étroite.
Dans ce travail, nous avons rapporté le développement de dispositifs synaptiques artificiels constitués d’IGZO/In2Ô3 Structures sandwich NW/IGZO qui peuvent imiter les fonctions visuelles, sensorielles et de mémoire. Les résultats de l’expérience révèlent que le temps de relaxation est de 61,22 s sous une impulsion lumineuse de 365 nm, ce qui signifie que le dispositif synaptique a un taux d’oubli plus long. En augmentant la fréquence et le nombre d’impulsions lumineuses (impulsions lumineuses à intervalles : 50 ms), un passage du comportement STM au comportement LTM sera observé. De plus, à l’aide d’impulsions de lumière UV, diverses fonctions synaptiques sont également simulées, notamment la facilitation des paires d’impulsions, l’apprentissage psychologique et l’oubli. De plus, l’expérience de conditionnement pavlovien est également réalisée de manière synergique en utilisant une stimulation électrique et optique, démontrant que ce dispositif synaptique possède une fonction d’apprentissage de mémoire associative dans ce système. Compte tenu de la structure unique et des bonnes performances du dispositif, on peut conclure que le phototransistor neuromorphique actuel pourrait avoir une application potentielle dans le futur système de vision artificielle robotique.