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华东师范大学田博博InfoMat：应用于感存算的类脑视觉器件
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摘 要
华东师范大学段纯刚教授和田博博教授团队总结了光电传感器实现感存算一体功能的几种物理机制以及相应类型的类视网膜器件的最新研究进展，分析了基于类视网膜器件构建的类脑视觉系统的仿生功能实现和图像处理应用，并对解决现阶段面临挑战的可能策略进行了展望。
文章简介
传统视觉处理系统中，传感、内存和处理单元的物理分离导致了大量的能量耗费、时间延迟和额外的硬件成本。人类视觉可以轻松地从海量的信息中提取出关键的信息，并且具有更低的能耗。人类视觉这种强大的图像处理能力很大程度上依赖于视网膜的感内计算以及和大脑视觉皮层所形成的分层结构，即视网膜将经过感内算处理获得的高纬信息而不是冗余的原始输入信息传递给大脑视觉皮层进行更高级的信息处理。受视网膜激发的感存算器件的研究推动着类脑智能视觉系统的快速发展。近日，华东师范大学段纯刚教授和田博博教授团队总结了光电传感器实现感存算一体功能的几种物理机制以及相应类型的类视网膜器件的最新研究进展，分析了基于类视网膜器件构建的类脑视觉系统的仿生功能实现和图像处理应用，并对解决现阶段面临挑战的可能策略进行了展望。
图1. 视觉处理系统的示意图：(A)一种传统的基于电脑的视觉系统，其中视觉信息被模拟摄像机捕获，转换为数字信号后经由存储单元前往电脑主机进行信息处理; (B)人脑视觉系统, 视网膜层的感知和计算大大减少了前往大脑视觉皮层的信息传输。
光致门栅效应(photogating effect)，即光激发的载流子被缺陷或者设定的能量势阱捕获后导致的额外门栅电压对器件的调控效应，可以用于实现光信号刺激的多级状态调控。并且，光致门栅效应的强度和极性可以受到电场和光场的调控，这使得光电传感器可以获得正负光电响应的调控，这对于构建感内人工神经网络和完成多功能仿生视网膜系统是非常重要的。因为低维半导体材料更容易受到电场的有效调控，基于光致门栅效应的类视网膜器件的报道大多基于低维半导体材料。比如作者团队和中南大学蒋杰课题组合作，在全透明的3纳米厚度垂直ITO沟道的晶体管中，利用光致门栅效应实现了时序耦合和电光协同调控的光电响应，成功构建了类视网膜痛觉感知系统。作者团队通过不同波长的光刺激调控光致门栅效应，实现了全光调制下的正负光电响应，模拟了对光信号的突触行为。此外，国内外多个研究团队在二维半导体材料堆叠的光电器件中通过在光照的同时施加不同（正负）栅压来调控俘获或者释放的光生载流子类型（空穴/电子），实现了极性相反的光电调控，并分别实现了感内卷积/计算、运动提取、自适应预处理等仿生功能的类脑视觉系统。
图2. 基于不同极性电场辅助的光致门栅效应，二维半导体材料堆叠结构的光电器件可以实现极性相反的光电响应。
除了光致门栅效应，通过裂栅调控可以实现可编程pn结的光伏型感存算类视网膜器件。通过改变裂栅的电压振幅和极性，沟道在pn结和np结之间切换，实现不同强度和极性的可编程光伏响应。然而，与电场辅助的光致门栅效应类似，裂栅调控的光电响应需要不间断的电压源供应，并且决定电压源强度的权重信息需要从额外的存储器中调取，这不可避免的增加了能量消耗和较高的硬件（存储和外围电路）需求。集合传感、存储和计算为一体的全在一类视网膜器件可以解决以上挑战，是类脑视觉器件的主要发展趋势。
图3. 基于铁电局域场调控的集合传感、存储和计算为一体的全在一类视网膜器件。
图4. 类视网膜器件的研究和发展趋势。
铁电材料具有非易失的自发极化，并且极化取向可以受到电场调控。当铁电极化取向一致后，在界面处积累非常高的束缚电荷密度（几到几十μC/cm2），形成强局域电场。由于铁电畴的可编程性和非易失性，铁电局域场调控的光电器件可以获得可编程的、非易失的光伏响应，实现集合传感、存储和计算为一体的全在一类视网膜系统。因此，基于铁电材料的类视网膜硬件在未来的应用中具有巨大的潜力。特别是，铪基和纤锌矿型铁电材料与CMOS工艺的后处理兼容性允许将基于铁电体的类视网膜硬件集成到CMOS电路系统中。此外，柔性铁电聚合物在可穿戴智能系统和人类友好的神经形态平台方面具有巨大潜力。
《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，是由教育部主管，电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊（月刊）。本刊聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，旨在打造电子信息领域的世界顶尖期刊，推动电子信息技术与多学科交叉的共同发展。期刊2022年度影响因子为22.7，JCI指数2.37，5年影响因子22.7，2022年度CiteScore为35.6，SNIP指标为3.344。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。期刊先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库。
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