當(dāng)今世界信息技術(shù)突飛猛進，海量的數(shù)據(jù)對信息的快速實時處理提出了更高要求，實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑之一是開發(fā)具有邊緣計算能力的智能感知系統(tǒng)，緩解數(shù)據(jù)傳輸帶來的延遲與能耗，從而實現(xiàn)實時、高效的信息處理。 

　　電解質(zhì)柵控晶體管是近年來提出的一種三端憶阻器件，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管類似。不同的是，電解質(zhì)柵控晶體管采用含有可動離子（如H⁺, Li⁺等）的電解質(zhì)材料代替二氧化硅作為柵介質(zhì)層。在柵極電壓作用下，可動離子發(fā)生遷移并與溝道材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后注入其中。離子的注入起到了摻雜的作用，能夠調(diào)節(jié)溝道材料的載流子濃度，使溝道電阻態(tài)發(fā)生連續(xù)、可逆的非易失變化，被認(rèn)為是模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本功能單元——突觸的理想元件之一（參見D. S. Shang, et al. Adv. Func. Mater. 2018, 28, 1804170; D. S. Shang, et al., Adv. Mater. 2017, 29, 1700906）。近年來科學(xué)界對電解質(zhì)柵控晶體管及其在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的研究取得了一定進展，但研究成果主要集中在單個器件的性能驗證，在材料體系、器件陣列和網(wǎng)絡(luò)算法等層面亟待突破。 

　　針對上述問題，微電子所微電子重點實驗室劉明院士團隊制備了具有良好溝道電導(dǎo)調(diào)節(jié)性能和器件均一性的電解質(zhì)柵控晶體管陣列，并基于此陣列構(gòu)建了可處理時空信息的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。團隊首先對材料體系進行了篩選，首次采用無機氧化物——Nb₂O₅作為溝道材料構(gòu)建電解質(zhì)柵控晶體管，成功實現(xiàn)32x32的陣列集成（圖1a）。此電解質(zhì)柵控晶體管表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性（圖1b-e），包括近線性的溝道電導(dǎo)模擬變化特性、良好的耐受性（≥10⁶）和保持特性（≥1000 s）、快速操作（~100 ns）、極低的電導(dǎo)變化范圍（<100 nS）和超低的操作能耗面密度（20 fJ·μm^-2）等。團隊進一步利用該電解質(zhì)柵控晶體管陣列構(gòu)建了脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)和識別時空信息的能力。通過使用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法和脈沖時序依賴可塑性權(quán)重更新規(guī)則，電解質(zhì)柵控晶體管陣列能夠根據(jù)不同的任務(wù)輸入調(diào)整各個單元的電導(dǎo)（學(xué)習(xí)過程），最終完成對不同輸入脈沖序列的識別?；陔娊赓|(zhì)柵控晶體管的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以與觸覺傳感器結(jié)合，通過對終端傳感器收集到的時序信息進行傳遞、分析和處理，實現(xiàn)了對物體移動方位的識別（圖2）。這種智能觸覺感知系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，為發(fā)展可用于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等領(lǐng)域的低能耗、可擴展的仿生信息處理系統(tǒng)提供了參考。 

　　這一成果近期發(fā)表在《先進材料》期刊上（Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202003018），微電子所博士研究生李悅、盧吉凱為文章的共同第一作者，微電子所尚大山研究員為該文章的通訊作者。同時，微電子所博士生卜獻寶、徐晗和尚大山等針對離子晶體管的基本特性及其在傳感—計算融合中的潛在應(yīng)用與發(fā)展趨勢撰寫的綜述文章發(fā)表在《先進智能系統(tǒng)》期刊上（Advanced Intelligent Systems, DOI: 10.1002/aisy.202000156）。 

　　該項目得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和之江實驗室的資助。 

圖1. (a) 32x32電解質(zhì)柵控晶體管陣列；(b) 器件基本結(jié)構(gòu)及測試方案；

(c) 器件在不同掃描速度下的轉(zhuǎn)移特性曲線；(d) 器件的模擬開關(guān)特性；(e) 器件的保持特性。 

圖2. (a) 基于電解質(zhì)柵控晶體管的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觸覺感知系統(tǒng)實現(xiàn)方案；(b) 脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其中輸入神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元通過電解質(zhì)柵控晶體管（突觸）進行連接；(c) 不同移動方位角條件下各神經(jīng)元的膜電位變化。經(jīng)過學(xué)習(xí)后，神經(jīng)元的最大輸出與方位角呈現(xiàn)良好的映射關(guān)系。 

　　論文信息： 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003018 

　　Oxide‐Based Electrolyte‐Gated Transistors for Spatiotemporal Information Processing 

　　Yue Li, Jikai Lu, Dashan Shang, Qi Liu, Shuyu Wu, Zuheng Wu, Xumeng Zhang, Jianguo Yang, Zhongrui Wang, Hangbing Lv, Ming Liu 

　　Adv. Mater., 2020, 2003018 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000156 

　　Ion-Gated Transistor: An Enabler for Sensing and Computing Integration 

　　Xianbao Bu, Han Xu, Dashan Shang, Yue Li, Hangbing Lv, Qi Liu 

　　Adv. Intell. Syst. 2020, 2000156