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【国内论文】中国科学技术大学龙世兵，赵晓龙 ACS Nano：基于反向光栅效应的多光谱光突触的存内计算用于图像识别

日期：2025-08-27阅读：25

中国科学技术大学龙世兵，赵晓龙等人发表了题为“Multispectral In-Sensor Computing for Image Recognition Based on the Opposite Photogating Photosynapse 的工作于ACS Nano期刊上。

本文介绍了一种基于反向光栅（OPG）工程的多光谱光突触的四色存内计算系统，用于图像识别。该系统通过将传感和计算功能集成到单个光突触中，减少了传统冯·诺伊曼架构中频繁数据转换和传输导致的大量数据冗余。该光突触基于 Ga₂O₃/WSe₂异质结场效应晶体管，展现出在不同光谱刺激下的双向光响应：深紫外（DUV）光诱导负向阈值电压（Vth）偏移（兴奋性响应），可见光诱导正向 Vth 偏移（抑制性响应）。这种非线性光响应和可调的短期记忆特性使其适用于光电存内计算。该系统在高压系统中定位电晕放电的准确率达到 88.3%，展示了在复杂多光谱场景中实现精确智能图像识别的潜力。

背景

随着人工智能的快速发展，光电成像传感器作为信息交互的关键枢纽不可避免地需要智能化。传统光电传感器仅将光信号转换为电信号，而最终的图像识别过程需要在传感器、处理器和存储单元之间频繁转换和传输数据，导致大量数据冗余和高能耗，这对实时检测和图像识别场景尤为不利。受生物系统的启发，神经形态架构通过将传感和计算功能集成到人工突触中，提供了一种有前景的替代方案。生物视觉系统通过多种对不同波长光敏感的光感受器细胞构建光学图像，这些光感受器细胞选择性地提取关键视觉特征，如特定颜色或形状，从而增强与特定信号相关的神经活动，同时抑制无关信息。与单光谱识别相比，多光谱识别在复杂光学场景中增强了目标识别能力。然而，大多数已报道的光突触仅在狭窄的光谱范围内工作，开发多光谱光突触对于准确的图像识别至关重要。

主要内容

研究人员开发了一种基于 Ga₂O₃/WSe₂ 范德华异质结场效应晶体管（HJFET）的四色存内计算系统，用于多光谱图像识别。该系统通过反向光栅（OPG）工程实现了在不同光谱刺激下的双向光响应。具体来说，深紫外（DUV）光在 Ga₂O₃中诱导负向光栅效应（NPG），导致阈值电压（Vth）负向偏移，而可见光在 WSe₂中诱导正向光栅效应（PPG），导致 Vth 正向偏移。这种双向光响应使得光突触能够产生兴奋性突触后电流（EPSC）和抑制性突触后电流（IPSC），并展现出在连续光脉冲下的记忆效应。通过利用这些特性，研究人员构建了一个非线性的输入输出映射，用于多光谱存内计算。该系统结合可见光和 DUV 光谱中的环境和电晕放电信息，成功识别出高压系统中六个典型放电易发位置中的电晕放电位置，准确率达到 88.3%。此外，该系统还在四色手写数字识别任务中实现了 94.7% 的准确率，进一步证明了其在图像识别中的有效性。

实验细节

研究人员首先通过机械剥离和无残留干转移方法制备了高质量的 Ga₂O₃ 和 WSe₂ 微片，并构建了 Ga₂O₃/WSe₂ 异质结场效应晶体管。

创新点

1. 提出了一种基于 Ga₂O₃/WSe₂ 异质结的四色存内计算系统，能够实现多光谱图像识别。

2. 通过反向光栅（OPG）工程实现了在不同光谱刺激下的双向光响应，即深紫外（DUV）光诱导负向阈值电压（Vth）偏移，可见光诱导正向 Vth 偏移。

3. 展示了光突触的非线性光响应和可调短期记忆特性，这对于构建高维非线性特征空间至关重要。

4. 在高压系统中实现了 88.3% 的电晕放电定位准确率，并在四色手写数字识别任务中实现了 94.7% 的准确率，证明了系统在实际应用中的潜力。

结论

本研究提出了一种基于反向光栅（OPG）工程的 Ga₂O₃/WSe₂ 光突触的四色存内计算系统，用于多光谱图像识别。该系统通过在不同光谱刺激下实现双向光响应，成功识别出高压系统中六个高风险位置中的电晕放电位置，准确率达到 88.3%。此外，该系统还在四色手写数字识别任务中实现了 94.7% 的准确率，进一步证明了其在图像识别中的有效性。该系统通过减少数据冗余和降低硬件复杂度，为实现高效图像识别提供了一种新的方法。

结果与讨论

图1. 基于具有兴奋/抑制双模态的OPG工程化光突触的多光谱图像识别系统。(a) 生物视觉系统示意图（突触细节特写），展示不同光谱刺激下突触的兴奋性与抑制性行为。(b) 融合深紫外与可见光谱信息的四色传感器阵列用于电晕放电识别示意图，每个像素单元包含四个子像素，分别敏感于红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)和深紫外(U)波段。(c) OPG工程化多光谱范德华光突触作为子像素传感器的结构示意图。(d) 波长依赖的转移特性曲线及(e) 双极性EPSC/IPSC响应曲线，深紫外光下阈值电压负向漂移（NPG效应，紫色）对应光电流增强，可见光下正向漂移（PPG效应，绿色）对应光电流减弱

图2. 基于OPG工程化Ga2O3/WSe2范德华异质结场效应管（vdW-HJFET）的双极性多波段光电探测器光电性能与工作机制。(a-i) 器件结构示意图及(a-ii) 由Ga2O3和WSe2微片组成的器件光学显微图像。(b) 深紫外至可见光照射下的转移特性曲线，显示在深紫外波段（254−275 nm）呈现负向光栅效应（NPG），在可见光波段（465−625 nm）呈现正向光栅效应（PPG）。(c) 254至625 nm脉冲光照下沟道电流变化（ΔI），其极性由正转负，与图2b中观察到的NPG向PPG效应转变一致。(d-i) 未施加栅压和漏压时Ga2O3与WSe2材料的原位开尔文探针力显微镜（KPFM）分析示意图，重点研究三个光敏区域：A区（Ga2O3沟道）、B区（Ga2O3沟道上的WSe2）和C区（SiO2衬底上的WSe2）。(d-ii) A区在暗态及深紫外（275和254 nm）照射后的表面功函数变化，揭示Ga2O3中的空穴捕获现象。(d-iii) B区和C区在暗态以及520或254 nm光照下的表面功函数，表明WSe2中存在电子捕获。(e) 排除栅极和漏极电场影响的NPG与PPG效应机制模型，截面示意图展示(i)暗态、(ii)深紫外光照和(iii)可见光照下陷阱诱导的非平衡电子-空穴分布。

图3. OPG工程化Ga2O3/WSe2光电探测器中的兴奋性与抑制性突触模拟。(a) 多波段光电探测器与生物突触类比示意图，光信息与沟道电流分别作为突触前输入和突触后信号。(b) 光脉冲刺激下的瞬态ΔPSC：(i) 254nm光刺激下的EPSC和(ii) 520nm光刺激下的IPSC。(c) (i)EPSC和(ii)IPSC响应中的配对脉冲调制（Δt=300ms，ton=100ms），A1和A2分别表示第一和第二脉冲的ΔPSC幅值。(d) 兴奋性（上）和抑制性（下）模式的PPF指数随脉冲间隔变化关系。(e) 通过改变脉冲宽度和(f) 不同光强下的脉冲次数实现突触权重调控，上图显示兴奋性行为（DUV光），下图显示抑制性行为（可见光，520nm）。所有实验数据均在相同偏置条件下测得（Vd=15V，Vg=−0.1V）。

图4. 基于OPG工程化HJFET多光谱光突触的4位光学输入非线性映射。(a) 254nm（紫色）和520nm（绿色）光照下四种典型4位二进制输入序列（"0001"、"0011"、"0111"、"1111"）的时间依赖性光响应特性及双特征提取，每个二进制输入对应光脉冲序列（ton=200ms，Δt=300ms）。(b) 对每种4位输入序列在(i,ii)DUV（254nm）和(iii,iv)可见光（520nm）刺激下进行30次重复循环的统计双特征分析，结果通过箱线图和高斯拟合展示所有输入（"0000"至"1111"）的输出分布特征。

图5. 基于vdW HJFET光突触的OPG工程化多光谱RC系统用于电晕放电定位。(a) 无人机多光谱成像系统示意图，实现电晕放电感知与识别，同步完成环境背景识别（可见光）和DUV特征电晕放电定位。(b) 12种分类类别代表6个放电易发位置在两种条件下的状态：N（无放电）和Y（有放电）。(c) 四色电晕放电图像预处理流程，包括光谱分离、二值化、裁剪和重组步骤，用于后续传感器内计算。(d) 多光谱RC系统架构示意图，四通道输入储层作为核心处理单元，动态转换输入光信号为特征输出。(e) 12分类任务的训练性能，包括快速下降的交叉熵损失和训练集90%准确率。(f) 混淆矩阵对比测试数据集上(i)双特征和(ii)单特征策略在100训练周期后的分类性能，双特征策略显著优于单特征方法，分类准确率提升16.8%。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03453