面向多态电路与神经形态器件的本征柔性多模式可重构晶体管研究

《Nature Communications》：Intrinsically flexible multimode reconfigurable transistors for polymorphic circuits and neuromorphic devices

随着摩尔定律逼近物理极限，可重构晶体管成为集成电路发展的重要方向。本文报道了一种具有双栅结构的本征柔性多模式可重构晶体管（IFMRT），可在p型、n型和双极型模式间自由切换，并展示了其在多态逻辑电路（用于硬件安全）和人工异突触/树突（用于神经形态计算）方面的应用潜力。该器件在4 mm弯曲半径下经受5000次弯曲后仍保持性能，为柔性可穿戴电子和软体智能机器人提供了创新解决方案。

　　

随着信息技术的发展，传统的硅基晶体管在尺寸微缩方面逐渐逼近物理极限，摩尔定律面临严峻挑战。与此同时，人们对计算能力的需求却在持续增长，特别是在人工智能、物联网和可穿戴设备等领域。为了突破这一瓶颈，科学家们将目光投向了新型器件结构，其中，可重构晶体管因其能够通过电学信号调控在p型和n型特性之间切换而备受关注。这种独特的可重构性为集成电路的小型化、多功能化以及硬件安全提供了新的解决方案。另一方面，受大脑高效信息处理机制的启发，神经形态计算近年来发展迅速。大脑中的神经网络以神经元为基本单元，通过突触和树突相互连接，实现复杂的信息处理。模拟这些神经结构的人工突触和树突器件，对于开发新一代低功耗智能计算系统至关重要。

然而，当前大多数研究集中在刚性衬底上的器件，难以满足可穿戴设备、智能机器人和人机接口等新兴应用对柔性和共形贴合的需求。尽管柔性电子学发展迅速，但兼具可重构特性和优异柔性的晶体管却鲜有报道。这限制了其在未来自适应电子学和神经形态计算系统中的广泛应用。因此，开发一种本征柔性的、多功能的可重构晶体管平台，能够同时实现逻辑运算和神经形态功能，成为该领域一个亟待解决的关键问题。

为了解决上述问题，来自香港中文大学（深圳）和北京大学深圳研究生院的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们成功设计并制备了一种本征柔性多模式可重构晶体管（Intrinsically Flexible Multimode Reconfigurable Transistor, IFMRT），并系统展示了其在多态逻辑电路、人工异突触和树突整合等方面的卓越性能，为柔性可穿戴电子和软体智能机器人系统开辟了新的道路。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术：首先，他们利用全碳纳米管框架构建晶体管的沟道和源/漏/栅电极，其中金属性碳纳米管（M-CNT）用于电极，半导体性碳纳米管（S-CNT）用于沟道，确保了器件的本征柔性。其次，他们采用分子层沉积（MLD）和原子层沉积（ALD）交替生长技术，制备了聚酰亚胺-氧化铝（PI-Al₂O₃）混合介电层，该介电层兼具有机材料的柔性和无机材料的高介电性能。器件的制备在聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）柔性衬底上完成，涉及光刻、氧等离子体刻蚀等标准微纳加工工艺。电学性能和机械可靠性（如弯曲测试）通过半导体参数分析仪和数字控制机械平台进行表征。

Device structure and characteristics of the IFMRT

研究团队提出的IFMRT采用双栅结构，包含顶栅（TG）和底栅（BG）。其独特之处在于整个器件框架，包括沟道和电极，均由碳纳米管（CNT）构成，结合了混合PI-Al₂O₃介电层，从而实现了优异的机械柔性。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了金属性CNT和半导体性CNT网络的形貌。制备的IFMRT阵列展现出厘米级的制造能力和微米级的特征尺寸，并且能够很好地贴合人体手指，同时具有可见光范围内的良好透光性。电学表征表明，IFMRT具有多模式和多阈值电压的可重构性。通过将其中一个栅极（如TG）设置为极性栅（PG）来调制晶体管的操作模式（p型、n型或双极型），另一个栅极则作为控制栅（CG）负责沟道的开启与关断。阈值电压（V_th）可以随着PG电压的变化而在高、中、低范围内连续调节。研究还发现，顶栅（TG）比底栅（BG）具有更强的沟道耦合和调制能力，这归因于底栅介电层表面的界面态。能带图分析从理论上解释了PG电压通过调制表面能带弯曲和初始沟道电导来实现多模式和多阈值电压可重构性的机理。器件的机械柔性测试表明，IFMRT在4 mm弯曲半径下能保持良好的电学性能，并且经过5000次弯曲循环后，其可重构性依然稳定。对多个器件的统计数据显示了良好的参数一致性和可集成潜力。

Reconfigurable polymorphic logic gates by IFMRT

基于p型和n型IFMRT，研究人员构建了互补金属氧化物半导体（CMOS）电路。利用IFMRT固有的可重构性，他们实现了具有多态功能的逻辑门。通过设置一个二进制密钥位（key bit）来控制电路中IFMRT在n型和p型特性之间的切换，从而使单个电路能够执行不同的逻辑功能。一个典型的例子是实现了可在NAND（与非）和NOR（或非）功能之间重构的多态逻辑门。这种设计类似于集成电路（IC）伪装和逻辑锁定技术，能够有效隐藏电路的实际功能，只有配置正确的密钥时才能正常操作，从而在硬件安全领域展现出巨大潜力。作为基础，研究人员首先演示了可重构反相器，该反相器在两种模式下均能完成逻辑翻转，并获得了较高的电压增益。

Homosynaptic characteristics of IFMRT

IFMRT可以作为突触晶体管应用于神经形态电子学。研究人员将顶栅（TG）类比为生物突触的前膜，PI-Al₂O₃介电层类比为突触间隙，沟道类比为后膜。由于介电层中存在极性基团（如带正电的氨基和带负电的羧基），IFMRT表现出逆时针滞后特性，这使其能够模拟突触可塑性。当在TG上施加负脉冲时，介电层中的偶极子在电场作用下从无序变为有序，导致沟道中空穴数量增加，引起突触后电流（PSC）增强，即突触强化（Potentiation）行为。反之，施加正脉冲则导致PSC减弱，即突触抑制（Depression）行为。研究人员测量了脉冲电压依赖性可塑性（SVDP）、脉冲持续时间依赖性可塑性（SDDP）、配对脉冲易化（PPF）、脉冲频率依赖性可塑性（SFDP）和脉冲数量依赖性可塑性（SNDP），验证了IFMRT实现基本突触行为的能力。

Artificial reconfigurable heterosynapse by IFMRT

除了两个神经元之间的同突触，研究还关注了涉及三个神经元的异突触，其关键特性是异突触可塑性。即，同一个前膜刺激所引起的突触响应，可以被一个调制终端（如BG）所调控，甚至可以在抑制性和兴奋性模式之间重构。研究人员利用IFMRT实现了人工异突触，并成功演示了这种可重构的突触响应。通过调节底栅电压（V_bg），对于施加在TG上的相同的前膜脉冲（正或负），突触响应（以ΔI衡量）的强度和方向都可以被灵活调制和重构。例如，对于正脉冲，当V_bg从负向增加到正向超过某个阈值时，突触响应从抑制性模式（ΔI为负）转变为兴奋性模式（ΔI为正）。这种可重构性源于PG电压对沟道多数载流子类型和数量的调制作用。

Dendrite integration by IFMRT for robotic decision and motion

神经元通过树突接收并整合来自多个其他神经元的信号。研究团队利用IFMRT的双栅结构模拟了树突整合功能。顶栅（TG）和底栅（BG）均作为前膜输入，沟道作为树突后膜。利用两个栅极对沟道耦合能力的差异，他们实现了对两种二进制输入信号的四种状态（00, 01, 10, 11）的完全区分。以机器人自动避障为例，TG和BG分别连接左右碰撞传感器，输出脉冲代表检测到障碍物。根据不同的输入组合，突触后电流（PSC）的峰值不同，分别对应机器人“直行”、“左转”、“右转”和“停止”的决策。此外，他们还模拟了人体手臂运动控制中高级神经中枢（大脑）和低级神经中枢（脊髓）的协同工作。例如，仅由BG（模拟脊髓）输入正脉冲引起抑制性反应，模拟手碰到热物体时的缩回反射；而当BG和TG（模拟大脑）同时施加相反脉冲时，由于TG更强的耦合能力，最终产生兴奋性反应，模拟大脑 override 脊髓反射，控制手臂将热杯子放下而非扔掉的协调动作。这展示了IFMRT在智能机器人决策和仿生运动控制中的应用前景。

综上所述，这项研究成功报道了一种本征柔性多模式可重构晶体管（IFMRT）。该器件结合双栅结构和经Al₂O₃掺杂的碳纳米管沟道的双极性，实现了在p型、n型和双极型模式之间，以及多阈值电压下的可重构操作。基于此，研究不仅演示了可用于硬件安全的多态逻辑电路，还实现了展现异突触可塑性的人工异突触和能够进行信息整合的人工树突。这些功能在机器人自动避障决策和模仿人体神经中枢协同控制的手臂运动等场景中得到了概念验证。尤为重要的是，IFMRT阵列展现出卓越的机械柔性，能够承受4 mm弯曲半径下的5000次反复弯曲。这项工作通过器件创新与功能实现的紧密结合，极大地拓展了柔性可重构晶体管的潜在应用范围，为下一代自适应电子学和神经形态计算，特别是柔性可穿戴电子和软体人工智能机器人系统的发展奠定了坚实的基础。