近期，我院刘晓老师在国际Top期刊Small上发表题为“4H-SiC Homojunction Photogated Synapses Enabling High-Temperature Neuromorphic Computing”的研究型论文。其中，杭州电子科技大学(电子信息学院&碳中和新能源研究院)为论文第一单位，刘晓老师为论文第一/通讯作者，杭电严文生教授和浙大皮孝东教授为论文共同通讯作者。感谢杭电石振老师和浙大步明轩在神经网络构建与应用方面的技术支持。
【研究背景】
光电神经突触作为一种仿视网膜器件，因兼具光信号感知、存储和预处理功能，成为构建人工视觉和光子神经形态计算的重要模块。尤其是紫外光电神经突触，在生物特征识别、深空探测成像以及隐形安全通信方面具有明显优势。然而，传统紫外光电神经突触器件在高温下常常面临活性材料损伤和器件工作机理失效等问题，严重限制其在高温极端环境实际应用。
【成果介绍】
有鉴于此，作者们基于宽禁带半导体4H-SiC设计了一种耐高温的紫外光电神经突触器件，利用4H-SiC同质p-n结界面内建电场空间分离光生电子-空穴对，延长p型4H-SiC沟道中空穴寿命，从而引起光电流衰减迟滞，实现器件突触性能。更为重要的是，器件极限工作温度高达350°C。在这一温度下，器件仍然可以模拟生物神经突触基本功能，如脉冲时间/数量/频率依赖可塑性。
该器件优异的热稳定性主要归因于以下三个方面：
1、材料本征稳定性
4H-SiC材料本身物理化学性质稳定，其高键能的Si-C共价键使得热氧化反应仅在1100°C以上的干氧环境下才会显著发生，从而确保器件在高温环境下的结构完整性。
2、宽禁带优势
4H-SiC的宽禁带 (～3.26 eV) 使其高温下的本征载流子浓度远低于传统窄禁带半导体 (如Si)。例如，在300°C时，4H-SiC的本征载流子浓度仅为～105 cm-3，而Si则高达1015 cm-3。这一特性显著增强了4H-SiC同质界面的内建电场 (VD)，有效抑制了高温下界面的载流子复合。
3、高掺杂优化
实验采用重掺杂的n型4H-SiC衬底 (氮掺杂浓度：1.1×1019 cm-3) 和p型4H-SiC外延层 (铝掺杂浓度：3.1×1018 cm-3)。高掺杂浓度不仅显著提升VD强度，更有效抑制其温度依赖性。VD理论值在25°C时为～3.18 V，即使在350°C高温下，仍能维持在～2.97 V。
这些协同效应确保高温下界面光生电子-空穴对仍可被有效分离，从而维持器件突触性能稳定性。
进一步地，基于器件阵列的神经形态紫外视觉感知系统在不同温度下模拟了对字母图案“L”的记忆和遗忘过程。基于器件电导的长时程增强特性构建的卷积神经网络(CNN)模型，实现了30个训练周期内超过95%的手写数字识别准确率。该工作为耐高温紫外光电神经突触器件的设计和发展提供了有效借鉴。
【图文导读】
图1. 器件结构示意图及工作机理。 (a)人大脑中突触结构示意图。 (b)器件结构示意图。 (c)器件截面SEM图。 (d) p型和n型4H-SiC界面能带结构图以及n型4H-SiC中光生电子-空穴对产生、分离过程示意图。 (e)室温下，器件光电流对375 nm光功率的依赖性。
图2. 器件在室温下模拟生物神经突触器件基本功能和神经活动。 (a)兴奋性突触后电流。 (b)双脉冲易化。 (c)双脉冲易化指数与脉冲时间间隔之间的关系。 (d)脉冲时间依赖可塑性。 (e)脉冲数量依赖可塑性。 (f)脉冲频率依赖可塑性。 (g)经验学习行为。 (h)小鼠联想学习行为。
图3. 器件突触性能的温度依赖性。不同温度下，脉宽为5 s的单个光脉冲刺激器件产生的 (a)光电流曲线， (b)光电流值和 (c)光电流增益。不同温度下，脉宽为0.05 s的30个光脉冲刺激器件产生的(d) 光电流曲线， (e)光电流值和 (f)光电流增益。
图4. 器件在350°C时的突触功能和信息加密应用展示。350°C时，器件模拟 (a)脉冲时间依赖可塑性， (b)脉冲数量依赖可塑性和 (c)脉冲频率依赖可塑性。 (d) 编号为“1”、“6”、“3”和“8”的器件以及 (g)编号为“2”、“5”、“4”和“8”的器件分别在第1秒、第2秒、第3秒和第4秒被脉宽为1 s的单脉冲光刺激产生的归一化兴奋性突触后电流。 (e和h)第5秒兴奋性突触后电流的可视化图。 (f和i)第5秒，4个器件的兴奋性突触后电流的柱状图。
图5. 器件在不同温度下的图像学习-记忆和MNIST手写数字识别应用展示。 (a)基于器件阵列实现高温成像示意图。 (b) 25°C、160°C和350°C下，200个脉冲光刺激时、刺激后1秒以及刺激后20秒，获得的图像。 (c)构建的卷积神经网络结构示意图。 (d) 4H-SiC突触器件电导的长时程增强曲线。 (e)手写数字识别准确率对训练次数的依赖性。
【总结与展望】
这项研究工作不仅展示了4H-SiC同质p-n结在紫外光电神经突触器件领域中的巨大应用前景，也对未来极端环境下突触元件的设计与发展有着重要借鉴意义。
【全文链接】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202504084