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本文介绍了一种可切换的光探测突触晶体管（SPST），它基于二维钙钛矿铁电体（PMA）?PbCl?薄膜，能在光探测和光电突触模式间切换。该晶体管可用于构建自供电光电突触，提升神经网络颜色敏感性，在物体识别任务中降低处理时间和功耗，具有重要应用价值。
### 研究背景
在计算机视觉领域，当前神经网络虽能处理复杂颜色图像，但在颜色敏感任务（如伪装检测）中存在效率低、易出错的问题，这是由于其计算成本高、存在延迟，且缺乏颜色信息会导致物体识别困难、分类错误和语义分割不准确等问题 。例如，在低光环境中广泛应用的灰度或红外成像，虽能在有限光子或热信号下工作，但牺牲了关键颜色信息，不利于区分纹理或形状相似的物体，还会增加处理时间和能耗。传统计算机架构在处理大量数据和计算资源时，也面临数据泄露、处理速度慢和能耗高等问题，无法满足快速高效数据处理的需求。
实现低功耗、高速处理是推进基于颜色的传感和计算系统的关键挑战，特别是在自动驾驶汽车、机器人和边缘计算设备等需要实时决策和节能操作的应用中。在神经形态计算中，将传感、记忆和计算集成在单个设备内，可减少数据传输瓶颈，实现自适应学习和决策。传统信号处理系统在处理前通常需要进行信号转换，这会导致噪声、处理延迟和信号同步匹配等问题。而传感器内记忆计算（ISMC）旨在通过在传感器内进行计算来克服这些问题，其材料设计需具备短响应时间、低功耗、高灵敏度、可扩展性和长期稳定性等特点，还需具有多功能性（如集成传感、存储和计算）、突触可塑性、高密度集成能力以及与现有技术的兼容性。
铁电体中可调的铁电极化、热释电和压电特性有望增强神经形态设备的性能，例如通过电场提供突触权重控制和实现非易失性信息存储，这些特性可用于模仿人类大脑的学习和记忆功能。然而，传统铁电体尚未充分探索铁电和光电特性的耦合功能。近年来，二维（2D）钙钛矿铁电体作为有前景的材料出现，它既具有铁电特性，又能保持光电特性。基于钙钛矿铁电体的晶体管可能会提高神经形态计算的性能，并解决现有挑战。
研究内容
- SPST 的设计、运行机制和表征：为了增强神经网络的视觉颜色感知，创建了基于钙钛矿铁电体的 SPST，以实现光电探测器和光电突触的功能。SPST 采用底栅顶接触结构，通过控制栅极电压可在光电探测模式（PD 模式）和光电突触模式（OS 模式）之间切换。PD 模式下，SPST 将不同强度和波长的光刺激转换为电信号，这些信号可输入到 OS 模式的 SPST 中产生多种响应。基于 SPST 的宽带吸收，由 SPST 阵列组成的神经网络可以解码输入的光信号，并通过增强特定通道的颜色来产生图像处理任务所需的颜色敏感性。
（PMA）?PbCl?作为铁电层具有诸多优势，如极化稳定性、适合低温处理（130°C）以及与半导体技术的兼容性。利用钙钛矿铁电体的铁电和光电特性，有助于控制多态光电突触行为和光学检测功能。通过对（PMA）?PbCl?薄膜的表征，如 X 射线衍射（XRD）、极化 - 电压（P - V）滞后曲线等测试，证实了其形成和铁电行为。（PMA）?PbCl?和 PDVT - 10 在不同波长下具有较强的光吸收特性，这使得 SPST 能够对不同波长的光产生不同的响应。
- PD 模式：由于（PMA）?PbCl?的铁电和光电特性，SPST 可以在光电探测器和光电突触之间切换。在强度驱动操作下，光电流和光电突触权重的变化由刺激的强度和持续时间调制，而不是依赖于时间编码信号。当器件的栅极未施加电压时，SPST 工作在 PD 模式。在不同波长（310nm、425nm 和 808nm）的光照下，SPST 会产生不同的光电流响应。例如，在 310nm 光照下，其光响应符合铁电 - 热释电 - 光电子效应，呈现四阶段光响应；在 425nm 光照下，由于（PMA）?PbCl?和 PDVT - 10 在该波长范围内都有响应，所以 SPST 会出现正负两种光电流响应；在 808nm 光照下，SPST 仅显示由半导体层产生的负光电流脉冲。
此外，研究还发现，器件的光响应电流在不同波长的光下显示出幅度差异，并且在弱光条件下（0.4mW/cm2）仍具有光检测功能。光照时间越长，光电流保持时间也越长。
- OS 模式的电突触功能：当向 SPST 的栅极施加电压时，钙钛矿铁电层被极化，器件的操作模式切换为能够检测光和电刺激的突触。通过测量扫掠转移曲线，发现栅极电压在 - 10V 到 + 10V 范围内变化时，存在小的滞后现象，这表明低栅极电压只会导致钙钛矿铁电层的低极化状态，而极化状态会随着栅极电压的增加而增加。
通过在栅极电极上施加 50 个正脉冲（20V，100ms）和 50 个负脉冲（ - 15V，100ms），观察到 SPST 的突触后电流（PSC）分别减小和增加。施加正脉冲或负脉冲可获得兴奋性 PSC（EPSC）和抑制性 PSC（IPSC）的行为，响应时间小于 65ms。此外，还观察到了成对脉冲促进（PPF）和成对脉冲抑制（PPD）行为，这是短期记忆（STM）的两种重要形式。通过连续电脉冲模拟了突触的长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）行为，结果表明 STM 可以在外部刺激重复时转化为长期记忆（LTM）。
- SPST 在 OS 模式下的光突触功能：向 SPST 施加栅极电压后，钙钛矿铁电层极化并保持极化状态，使器件能够对光刺激产生突触响应。基于钙钛矿铁电层的光电特性，在极化后光刺激下器件可产生非易失性光电流。随着栅极电压增加，钙钛矿铁电层的极化逐渐增加，不同强度的光脉冲会引起不同的光电流响应。
在 425nm 不同功率的光脉冲刺激下，EPSC 的响应时间在 50ms 内，且随着极化电压幅度的增加，光生 EPSC 幅度逐渐增加，电流噪声降低。在 310nm 和 808nm 光刺激下，SPST 也表现出突触特性，但 808nm 光诱导的光学响应比 310nm 和 425nm 弱。这种非易失性行为的机制归因于带中 holes 的转移，通过控制铁电层的极化，可以调节突触权重和对光脉冲的响应。
- 视觉颜色增强和伪装物体识别：传统单通道神经网络只能处理灰度图像，忽略了颜色信息，限制了其捕捉真实世界物体特征的能力。而 SPST 的钙钛矿铁电层和半导体层的光吸收特性使其能够处理多光谱信息并放大目标颜色信号。在神经网络训练和推理过程中，宽带吸收驱动的增强优先考虑关键颜色特征，有助于检测微妙的颜色差异。例如，在绿色青蛙伪装在绿色树叶背景的场景中，SPST 可以放大颜色对比度较高的像素，使神经网络能够区分青蛙和背景。
基于 SPST 构建和训练的神经网络可以根据需求动态配置 OS 模式 SPST 的光电突触数量，优化和整合资源，提高处理效率。与传统人工突触相比，SPST 具有更低的功耗。研究使用 Cifar - 10 数据集进行伪装物体识别任务，通过增强 VNN 的颜色感知，不同颜色的铁电增强（如棕色铁电增强 BFE 和绿色铁电增强 GFE）分别对特定图像类别（如鹿和青蛙）的分类准确率有显著提升，且不会对其他图像类别的分类产生负面影响。
研究结论
研究开发了基于钙钛矿铁电体的 SPST 用于 ISMC 单元，其 PD 模式产生的光生电流可将串联的 SPST 切换到 OS 模式。在 OS 模式下，SPST 表现出具有强可塑性的突触行为。SPST 集成了传感和突触功能，简化了制造过程，降低了制造成本。基于 SPST 的网络通过平衡电突触和光突触进行权重更新和计算，适应实时需求。SPST 的颜色敏感性使其能够检测和处理颜色信息，增强了 VNN 的图像分类准确率。
未来，SPST 有望通过其颜色敏感的 VNN 在边缘设备（如自主无人机）中实现低功耗的实时物体检测。在医学成像领域，如组织扫描中，SPST 也可能有潜在应用，因为在这些场景中微妙的颜色差异很重要。此外，研究人员还可以探索提高材料耐久性、简化生产以实现大规模应用、优化 SPST 以获得更宽的波长敏感性以及确保在广泛温度范围内的稳定性能等研究方向。
