现代神经科学表明，人类大脑包含约上百亿个神经元和数万亿个连接神经元的神经突触。人类大脑是已知的最复杂的生物计算系统——能在低功耗下进行长时间高效的感知、记忆和学习，具有很强的可塑性。随着人工智能 (AI) 的蓬勃发展，科研人员正不断努力开发出能像人类的大脑一样学习和记忆的人工神经形态计算系统。

受人类大脑神经系统的启发，基于人工神经突触器件的人工神经网络 (ANNs) ，展示了优异的并行处理和高效运算的能力，被认为是神经形态计算的可行方案，从而引起了广泛关注。而在神经形态器件中，光电人工突触能同时配置光信号和电信号，为人工视觉系统提供了低功耗下高速运行的可能性，并具有较强的突触可塑性。基于此，各种以光电突触为基础的忆阻器和晶体管被开发出来。突触晶体管与两端忆阻器相比，具有多端调节的优点，在人工神经元网络中具有更大的优势。

近日，西湖大学工学院朱博文课题组使用喷墨打印技术制备了光电神经突触晶体管(TFT)，利用晶体管的接触电极调控氧化物半导体材料在紫外光波段的持续光电导 (PPC) 行为，成功模拟了可调节的短期 (STP) 和长期可塑性 (LTP)，兴奋性突触后电流 (EPSC)、多脉冲易化和成对脉冲易化 (PPF) 等生物突触功能。此工作提供了一个简单而有效的接触工程方法，实现了光电突触可塑性的有效调控，对于印刷突触晶体管在光电神经形态计算中应用具有重要意义。该研究成果以 “Tunable Plasticity in Printed Optoelectronic Synaptic Transistors by Contact Engineering” 为题发表在微电子器件领域国际权威期刊IEEE Electron Device Letters上，西湖大学2019级博士研究生梁坤为论文第一作者，西湖大学工学院特聘研究员朱博文为通讯作者。

打印人工光电神经突触晶体管

本文中光电神经突触晶体管采用超导硅为衬底和栅电极，原子层沉积的Al₂O₃作为介电层，打印法制备的ITO和Ag/ITO分别作为半导体沟道和接触电极。器件的光响应主要源自ITO沟道对紫外光的持续光电流(PPC)现象。光刺激使得ITO中的氧空位的电离产生电子，增大器件的电导，随后光移除后，电离的氧空位的逐渐重组和中和，使得器件电导缓慢衰减。这种增加的电导的缓慢衰减类似于生物突触中当刺激到达突触前膜并引起Ca²⁺内流或排出产生动作电位，随后释放的神经递质增强或削弱突触的传递。由于光刺激和Ca²⁺功能间的相似性，氧化物半导体晶体管可以用来模拟生物突触的重要功能。

图1. 打印光电神经突触晶体管与PPC行为

突触权重的可塑性调节

在生物系统中，突触权重被定义为两个神经元之间的连接强度，突触权重被神经活动调节的能力被称为突触可塑性，是各种复杂的学习、认知与记忆的基础，所以对于光电突触晶体管的可塑性调节的研究具有重要意义。突触权重随着时间的推移而逐渐衰减，并根据其寿命将其分为短期可塑性 (STP) 和长期可塑性 (LTP)，STP影响神经信号的信息过滤、编码和传输，记忆和学习则是通过LTP来实现的。

对于打印的人工突触晶体管而言，Ag/ITO电极的器件可通过栅电压 (V_g) 调制，使STP和LTP间自由转换。当V_g从−0.5到1.0 V变化时，120 s的衰减时间内突触权重从22.3%增加到62.5%。当UV光照射到器件上时，ITO沟道的光生电子和V_g诱导电子被传输到前沟道。因此，氧空位的中和变得更加困难，抑制了恢复。相反，在负V_g下，电子被排斥到后沟道，加速了恢复。相比之下，ITO电极的晶体管没有出现明显的V_g可调行为或STP行为，不同的V_g只能增强或抑制LTP。这是因为ITO电极中的光生电子被运输到沟道中，留下了许多空位，增加了活化能，抑制了恢复。此外，通过调节紫外光脉冲数，Ag/ITO电极晶体管也可以有效地模拟STP向LTP的转变，而ITO电极器件仅表现出LTP行为。

图2. 打印光电神经突触晶体管的可塑性调节

此外，利用一系列不同时间间隔 (∆t) 的成对脉冲刺激研究了基于Ag/ITO电极的突触晶体管与STP相关的PPF指数 (A₂/A₁)，PPF是在生物兴奋性和抑制性突触中观察到的一种重要的短期可塑性。在光电突触器件中，PPF行为与光生电子的重组有关，当第一个光脉冲结束时，光产生的电子-空穴对开始重新组合。如果在完全复合之前施加第二个光脉冲，累积电子的数量将增加。随着两个连续输入脉冲之间的时间间隔 (Δt) 的增加，第一个脉冲触发的光电子-空穴对有足够的时间达到平衡，A₂/A₁值逐渐接近1。PPF行为可以分为快速和缓慢两个阶段，τ₁和τ₂分别为快衰减和慢衰减的特征弛豫时间，计算可得此打印突触晶体管的τ₁/τ₂值为0.3/5.4 s，这与在生物突触中观察到的尺度一致，证实了打印的ITO光电突触晶体管在神经形态计算中的应用潜力。

图3. 打印的Ag/ITO电极的光电神经突触晶体管的PPF指数

该工作通过使用喷墨打印技术印刷Ag/ITO电极实现氧化物光电神经突触晶体管在紫外光波段可塑性调控，成功模拟LTP、STP和PPF等生物突触功能，对于印刷氧化物突触晶体管在光电神经形态计算中应用具有重要意义。