Transistori sinaptici fotonici con nuovo strato di intrappolamento degli elettroni per prestazioni elevate e ultra

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12583 (2023) Citare questo articolo

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I transistor sinaptici fotonici sono oggetto di studio per le loro potenziali applicazioni nel calcolo neuromorfico e nei sistemi di visione artificiale. Recentemente, un metodo per stabilire un effetto sinaptico impedendo la ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna formando una barriera energetica con un doppio strato costituito da un canale e uno strato di assorbimento della luce ha mostrato risultati efficaci. Riportiamo un dispositivo a triplo strato creato rivestendo un nuovo strato di intrappolamento di elettroni tra lo strato di assorbimento della luce e lo strato isolante del gate. Rispetto alla struttura sinaptica fotonica convenzionale a doppio strato, il nostro dispositivo a triplo strato riduce significativamente il tasso di ricombinazione, con conseguente miglioramento delle prestazioni in termini di fotocorrente in uscita e caratteristiche di memoria. Inoltre, il nostro transistor sinaptico fotonico possiede eccellenti proprietà sinaptiche, come la facilitazione dell'impulso accoppiato (PPF), il potenziamento a breve termine (STP) e il potenziamento a lungo termine (LTP), e dimostra una buona risposta a una bassa tensione operativa di - 0,1 mV. L'esperimento sul basso consumo energetico mostra un consumo energetico molto basso di 0,01375 fJ per picco. Questi risultati suggeriscono un modo per migliorare le prestazioni dei futuri dispositivi neuromorfici e dei sistemi di visione artificiale.

Il tradizionale metodo von Neumann non è adatto per elaborare grandi quantità di informazioni generate istantaneamente e in movimento casuale perché esegue calcoli seriali e sequenziali attraverso un unico canale. In questo metodo tradizionale, l'elaborazione di una grande quantità di dati può portare a ritardi e guasti, chiamati colli di bottiglia di von Neumann, e a un notevole consumo di energia1,2. Pertanto, i ricercatori si sono concentrati sul cervello umano, che è altamente integrato e può elaborare le informazioni in modo rapido ed efficiente. Un singolo evento sinaptico nel cervello umano consuma un'energia molto bassa di circa 10 fJ3. I dispositivi sinaptici neuromorfici e che imitano il cervello sono stati di recente interesse e sono stati pubblicati vari metodi a basso consumo che utilizzano la proprietà della plasticità4,5.

I dispositivi sinaptici organici sono attraenti per la loro leggerezza, la lavorazione su vasta area e la fabbricazione facile ed economica6,7. In generale, per i dispositivi che utilizzano transistor organici a effetto di campo (FET) pilotati dalla tensione in cui il gate è modulato da un potenziale elettrico, le proprietà sinaptiche sono state implementate utilizzando ioni che si muovono lentamente all'interno dell'elettrolita. Vari dispositivi o sistemi altamente funzionali sono stati implementati utilizzando queste proprietà4,8,9. È stato sviluppato un sistema tattile artificiale con sensore cutaneo utilizzando uno strato ferroelettrico o un gel ionico10,11. Kim et al. riportato un nervo afferente artificiale combinando un sensore di pressione e un gel ionico7.

Recentemente sono stati segnalati dispositivi sinaptici fotonici, oltre a transistor che implementano proprietà sinaptiche utilizzando la tensione di gate6,12,13,14,15. Rispetto al metodo di pilotaggio in tensione, i dispositivi sinaptici fotonici possono avere un'ampia larghezza di banda, un'elevata velocità di trasmissione e un basso consumo energetico16. Questi elementi di sinapsi fotonica possono anche incorporare la visione artificiale. Quando l'occhio umano riceve informazioni visive, i fotorecettori della retina convertono la luce in impulsi elettrici, che vengono trasmessi attraverso i nervi alla regione del cervello che crea e immagazzina le immagini. In un sistema di visione artificiale, il dispositivo rileva la luce e la converte in un segnale elettrico per generare e memorizzare informazioni sulla luce17. Il transistor sinaptico fotonico converte rapidamente un segnale ottico in un segnale elettrico e contemporaneamente presenta eccellenti proprietà per la memorizzazione delle informazioni; pertanto, recentemente ha attirato l'attenzione come dispositivo per la costruzione di un sistema di visione artificiale18.

Molti materiali, come i semiconduttori organici18, le perovskiti19 e i biomateriali rispettosi dell’ambiente20, vengono utilizzati come strati di assorbimento della luce. Tra questi, abbiamo utilizzato una perovskite alogenuro inorganico (CsPbBr3), un materiale semiconduttore con struttura esagonale12. Poiché le perovskiti hanno un’elevata efficienza fotoelettrica, attirano l’attenzione per dispositivi ottici come celle solari21 e fotorilevatori22. Tuttavia, sono molto vulnerabili all’umidità e la loro efficienza fotoelettrica diminuisce significativamente se esposti all’atmosfera per lungo tempo23. A questo proposito, CsPbBr3 costituito da materiali inorganici ha una stabilità migliore rispetto ad altre perovskiti organico-inorganiche24.