无掩模紫外光刻机客户成果丨复旦大学《Advanced Functional Materials》：构建面内有机铁电忆晶体管阵列，实现动态视觉时序编码与早期预测

复旦大学信息科学与工程学院胡来归、刘冉、熊诗圣团队在有机铁电忆晶体管与时序光电信息处理领域取得最（新）进展。研究团队构建了一种基于DIPAB/In₂O₃ 异质结构的面内有机铁电光电忆晶体管阵列，通过面内铁电极化与垂直栅极调控的正交电场设计，在同一器件中实现非易失存储、栅控选通、可编程光响应与时序信息处理。相关成果以“In-Plane Organic Ferroelectric Memtransistor Arrays for Temporal Optoelectronic Processing”为题发表在国际顶（级）期刊Advanced Functional Materials上。

摘要

动态视觉信息不仅包含物体在某一时刻的空间形态，还包含随时间连续演化的轨迹和历史信息。传统视觉系统通常需要逐帧采集图像，再将大量数据传输至外部存储和处理单元完成时序分析，带来额外的数据搬运、延迟与功耗。能够在传感器件端直接完成光信号感知、历史信息保持和时序特征提取，是构建低延迟、低功耗智能视觉硬件的重要方向。

现有光电忆阻器虽然能够利用持续光电导等效应保存光照历史，但在阵列化和动态调控方面仍存在挑战：高密度无源阵列容易受到sneak-path串扰影响，而持续光电导的响应幅值和弛豫速度通常由材料缺陷状态决定，器件制备完成后难以灵活调节。

针对上述问题，研究团队设计了基于DIPAB/In₂O₃异质结构的面内有机铁电光电忆晶体管。DIPAB的剩余极化主要沿源漏方向分布，通过面内电场非易失地调控载流子输运及界面势垒；底栅则通过垂直电场独立调节超薄In₂O₃沟道。两种电场方向相互正交，使铁电存储与栅极控制在同一器件中实现功能解耦，从而同时获得非易失存储、栅控选通、可编程自驱动光响应和可调时序弛豫。基于这一器件结构，团队制备了32 × 32可寻址阵列，器件良率达到91.3%，并进一步实现动态手写数字的时序编码、识别与早期预测。

具体研究/工作内容

面内有机铁电忆晶体管及阵列架构

图1 面内有机铁电忆晶体管的器件结构、32 × 32阵列及动态光信息写入演示

图1展示了本工作的整体设计思路。研究受到生物视觉系统局部感知、信息保持和时序处理机制的启发，在单个器件单元中同时引入光感知、非易失存储、栅控寻址和时序响应调节功能。器件采用底栅薄膜晶体管结构，由有机铁电材料DIPAB与超薄氧化物半导体In₂O₃构成异质结构。DIPAB的面内极化负责非易失调控载流子输运和界面势垒，In₂O₃沟道则同时提供栅控输运、光敏特性和持续光电导。

在此基础上，团队构建了单片集成的32 × 32有机铁电忆晶体管阵列。每个像素可以工作在栅控晶体管模式、电学忆阻模式和光电忆阻模式，实现选通、电导编程及光学时序响应的融合。实验中，研究人员使用405 nm激光在阵列上实时书写数字“6”，被照射像素能够保留此前光照产生的状态，使阵列在空间分布之外进一步记录书写过程中的时间历史。

面内铁电极化与栅极控制解耦

图2 面内铁电极化、势垒调控及栅控解耦的电学忆阻特性

图2说明了器件实现“存储—选通解耦”的物理基础。横向PFM表征显示DIPAB薄膜具有清晰的可翻转面内铁电极化，而垂直PFM中未出现同等明显的极化对比，说明极化主要沿平面方向分布。源漏电场负责写入和翻转面内铁电极化，剩余极化进一步改变金属/In₂O₃接触处的界面势垒与沟道输运；与此同时，底栅通过垂直电场控制In₂O₃沟道的积累与耗尽。

这种正交电场结构使栅极可以反复开关沟道而不擦除已经写入的铁电状态。器件转移特性表现出超过8个数量级的开关比，并具有明显的非易失双极忆阻回线；连续电脉冲可实现渐进式电导调节和长时程增强/抑制行为。高、低阻态在循环测试中保持可区分，且在完成存储编程后，栅极仍可独立地将沟道切换至导通或关断状态，验证了非易失存储与晶体管选通功能的独立性。

32 × 32阵列的栅控读出与串扰抑制

图3 32 × 32阵列的栅压调控及5 × 5子阵列串扰抑制

图3进一步验证了上述器件机制在阵列层面的作用。32 × 32阵列经编程后能够形成清晰分离的高、低电导分布，整体器件良率达到91.3%。随着栅压变化，阵列电流分布能够被系统性调节，说明底栅可在大规模阵列中保持稳定的沟道控制能力。

为评估sneak-path串扰，团队选取代表性的5 × 5子阵列，并分别写入对角线、X形以及其他空间图案。在栅控选择模式下，仅目标单元被置于导通条件，未选中单元通过栅压保持关闭；相比所有单元均处于导通状态的无栅选择模式，栅控读出显著降低了非目标单元的寄生电流，使预设图案具有更高的读出对比度和保真度。由此，忆晶体管自身的栅极可以直接承担阵列选择器功能，无需为每个忆阻单元额外引入独立选择器。

可编程自驱动光响应与栅控时序弛豫

图4 铁电编程的自驱动光响应、光突触行为与可调时序动力学

图4展示了DIPAB面内铁电极化与In₂O₃持续光电导耦合后产生的可编程时序光电特性。在405 nm光照和零外加偏压条件下，经过相反方向铁电极化的器件可产生极性相反的自驱动光电流，表明铁电状态不仅能够调控静态电导，还能够非易失地设定光响应的方向和幅值。连续光脉冲会使光电导逐渐累积，器件呈现由短时记忆向长时记忆转变的行为；改变脉冲宽度和脉冲间隔，也可以调节光信息的累积程度。

更重要的是，底栅提供了独立的时间尺度调控维度。通过改变栅压，可显著改变持续光电导的衰减速度；特征弛豫时间可由V_g= −3 V时约108.2 s缩短至V_g= 0 V时约1.8 s，实现对器件“记忆时间”的电学调控。器件在零偏压条件下的光电流随光强呈接近线性的变化，线性度达到99.5%，并可通过增量电脉冲获得17个可区分的自驱动光电流状态，为将光响应作为可编程权重用于后续时序处理提供了基础。

光响应加权的动态视觉时序编码与早期预测

图5 动态手写数字的光响应加权时序编码、识别和早期预测

图5展示了器件时序光电特性在动态视觉任务中的应用。研究团队将每个忆晶体管像素的可编程光响应设置为光学权重，并利用In₂O₃的持续光电导保存此前帧的光照历史。因此，光学模块（OM）的输出并非简单的逐帧图像，而是“当前空间信息+历史时间信息”的累积状态，可视为由器件物理过程直接完成的光响应加权时序编码。实验中，405 nm激光依次写入手写数字，32 × 32阵列能够形成随书写过程演化的导电状态，并获得0–9十类数字的动态特征。

研究进一步将OM输出送入由忆晶体管电学电导状态构成的电学模块（EM）进行权重计算。在二值光响应权重条件下，利用时序累积信息的OM-to-EM方法实现95.47%的手写数字识别准确率，而在相同硬件约束下、仅使用最终单帧图像的基线准确率约为69.5%。此外，正确类别的输出概率会随着书写帧数增加而逐渐提高；十类数字平均在第4帧即可获得稳定的最高预测结果，仅相当于完整10帧输入序列的40%，体现了器件端时序记忆对早期预测的支持。

OM-to-EM动态识别硬件验证

图6 基于DMD投影的OM-to-EM动态光学识别与早期预测硬件演示

图6给出了进一步的硬件概念验证。研究团队搭建DMD光学投影系统，将405 nm动态图案逐帧投射到5 × 3光学模块（OM）上，并通过跨阻放大器读取对应光电流，再将其输入15 × 3电学模块（EM）进行分类。实验选择数字“1”“4”“7”作为代表性动态输入，每个数字按照五个时间帧依次写入。

在测试前，训练得到的电学权重被写入EM阵列，实验编程后的权重分布与目标模拟权重保持基本一致。随着动态帧逐渐输入，OM的实时光电流持续累积，EM三个输出通道也随时间演化，并逐步形成与输入数字对应的主导输出。在代表性测试中，正确类别可在最终一帧完成之前占据主导，说明该平台不仅能够在器件层进行时序信息编码，也能够与电学忆阻权重计算结合，实现动态识别和早期判断。

总体来看，该工作利用DIPAB面内铁电极化与底栅垂直电场构成正交调控结构，将非易失存储、阵列选择、光学感知和时序响应调节融合到单个薄膜忆晶体管中。一方面，栅极作为内禀选择端有效抑制大规模阵列中的串扰；另一方面，铁电极化与持续光电导耦合使光响应的极性和幅值可以被非易失编程，而栅压又提供了对光生载流子弛豫时间的独立调节。

基于这些器件特性，研究实现了从动态光输入、时序信息累积、特征编码到忆阻权重分类的完整验证，并展示了利用部分输入序列提前完成识别的能力。该工作为面向动态视觉与神经形态光电系统的可扩展有机铁电/氧化物半导体忆晶体管平台提供了一种新的器件与阵列实现路径。

该工作中使用TuoTuo Technology的TTT-07-UV无掩模光刻系统完成器件图形化与阵列制备，并结合标准lift-off工艺实现多层电极及器件结构加工。器件图形化步骤采用无掩模光刻完成，无需制作实体掩模，可支持阵列版图的快速修改与原型迭代。

复旦大学博士生盛晨旭为论文一作，胡来归研究员、刘冉教授、熊诗圣研究员为论文通讯作者。论文发表于Advanced Functional Materials，https://doi.org/10.1002/adfm.78064