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用于人工智能视觉的宽带隙金属氧化物半导体

发布时间：2026-01-13 14:02:31 阅读数： 259

现代人工智能视觉硬件可受益于多端突触晶体管（MTST）。MTST 的优势包括更高的突触权重可控性、非易失性突触功能以及多种可控参数。近年来，基于宽带隙金属氧化物半导体（MOS）的突触晶体管发展迅速，在实现紫外（UV）人工智能视觉方面展现出广阔的应用前景。

图片描述

目前，科学研究正致力于模拟人类用来理解周围环境的五种感官。其中，大脑处理的大部分信息都来自视觉，这表明仿生视觉在人工智能系统的创建中具有极其重要的意义。

人工智能视觉

自动化成像协会 (AIA) 将人工智能视觉定义为任何工业或非工业应用，其中硬件和软件的组合指导设备运行，以根据图像的采集和处理来执行任务。

人脑通过视觉不断吸收周围环境的信息，尤其对物体的大小变化和光线的突然变化非常敏感。人工智能视觉是研究计算机如何通过处理视觉信息，使其能够像人脑一样快速做出决策的领域。

尽管人工智能视觉和计算机视觉之间的区别很小，但不应混淆。计算机视觉的目标是在对数字图像进行编辑和分析后对其进行理解。而人工智能视觉则只需要检查导致特定操作的视觉元素。例如，自动驾驶汽车的人工智能视觉旨在发现障碍物以防止碰撞。

紫外线

虽然基于红外线和可见光波段的人工视觉技术已被广泛研究，但紫外（UV）视觉对于许多生物物种在环境中导航和躲避捕食者至关重要。紫外视觉对于天文观测和类地行星发现中使用的人工系统也至关重要。

宽带隙金属氧化物半导体

适用于紫外激光驱动的突触晶体管的宽带隙金属氧化物半导体（MOS）具有诸多优势。例如，优异的光电特性、空气稳定性、工艺兼容性和成本效益。一维MOS还具有高表面积体积比的优势。神经元之间的接触点，即突触，是信息从一个神经元传递到另一个神经元的地方。

基于低成本静电纺丝技术制备的ZnSnO纳米线，在仿生突触晶体管领域取得了新的进展。这些晶体管可通过375 nm紫外激光进行有效调控，从而产生空气稳定的突触特性。通过改变脉冲数和光强，可以利用紫外光获得所需的电信号，例如成对脉冲易化（PPF）、兴奋性突触后电流（EPSC）以及基于相对长时程增强（LTP）的学习-遗忘过程。在ZnSnO纳米线中，自由电荷载流子的产生受氧分子吸附和解吸的控制。

利用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)测量发现的SnO₂/ZnO异质结构能够有效降低紫外辐射诱导的ZnSnO纳米线中自由载流子的复合。此外，Sn-O和Zn-O键的高结合能对器件的稳定性起着至关重要的作用。

基于ZnSnO纳米线突触特性的紫外人工视觉已在多种应用中得到验证。例如：

· 可编程光电逻辑门——将紫外光的光输入与门电压的电输入相结合，可以改变“与”门和“或”门的逻辑状态。“与-或”循环已重复多次，以验证可编程“与”门和“或”门逻辑状态的稳定性，并已证明这两种逻辑门之间可以稳定转换。

· 手写识别——模式识别的准确性取决于权重更新的线性度和对称性。本文利用改进的美国国家标准与技术研究院（MNIST）手写数字数据库，对用于神经形态计算的ZnSnO突触晶体管进行监督学习。仿真结果表明，光电突触器件未来有望应用于神经网络计算。

· 传感-存储-处理系统——传统的CMOS电路通常由独立的检测单元、存储单元和处理单元组成，这会导致显著的能量损耗和计算延迟。相比之下，光电人工突触可以将存储和信息处理与光传感功能相结合。基于ZnSnO光突触阵列的信息传感/存储处理系统可以执行实时图像识别、原位记忆和区分输入数据等操作。

前景

本文采用低成本静电纺丝结合纳米线转移技术，开发了一种基于ZnSnO纳米线的新型紫外光驱动突触晶体管。为了获得相关的突触信号，例如EPSC、PPF和LTP，我们施加了不同脉冲特性和光强度的紫外光。由ZnSnO纳米线晶体管产生的EPSC表现出更高的器件环境稳定性。此外，TEM和XRD检测到的SnO₂/ZnO异质结构表明，紫外光诱导的自由载流子的复合显著降低。