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金屬所雙重功能光電子器件研究取得進展

研發(fā)快訊 2023年11月01日 11:01:34來源:金屬研究所 13447
摘要光電探測器具有快速的光響應和高靈敏度,適用于光學傳感、通信和成像系統(tǒng)等領域。而神經形態(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。

  【儀表網 研發(fā)快訊光電探測器和神經形態(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和高靈敏度,適用于光學傳感、通信和成像系統(tǒng)等領域。而神經形態(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光電探測器和神經形態(tài)視覺傳感器的集成,并可按應用場景進行切換,將提高光電子器件的集成度并拓寬其應用領域。然而,由于兩者光響應速度存在的矛盾,使得在單個器件上同時實現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,構筑了一種溝槽橋接GaN/Ga2O3/GaN雙異質結陣列器件。通過調節(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光電探測和神經形態(tài)視覺傳感器兩種角色的轉換。該器件在低電壓作為光電探測器工作時,展現出很快的光響應速度(118 μs)和很高的比探測率(1.13 × 1011 Jones),并實現了光控邏輯電路、光電成像和光通信等復雜功能。而器件在高電壓作為神經形態(tài)視覺傳感器工作時,實現了包括雙脈沖易化、短程可塑性到長程可塑性的轉變、經驗學習行為以及圖像記憶等神經突觸特性的模擬。此外,經過器件對圖像的神經形態(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光電探測器和神經形態(tài)視覺傳感器的各種先進功能提供了新方法,而且為實現機器人視覺系統(tǒng)和神經形態(tài)計算提供了可能。
 
  近日,相關研究成果以Dual-mode conversion of photodetector and neuromorphic vision sensor via bias voltage regulation on a single device為題,發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.202308090)上。
 
  圖1. 器件的設計概念、結構和特性。(a)根據光響應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)光響應以及(f)光電流衰減擬合曲線。異質結的能帶結構示意圖:(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)異質結中O 1s的XPS能譜。
 
  圖2. 器件作為光電探測器的功能化應用。(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)基于該器件實現的摩爾斯電碼傳輸。
 
  圖3. 器件作為神經形態(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形態(tài)視覺系統(tǒng)的示意圖;(b)器件降噪前后的數字圖像;(c)器件降噪前后的圖像識別率曲線;(d)圖像訓練結果的混淆矩陣;(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字圖像;(f)背景噪聲水平對圖像識別率提升效果的影響。

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