【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】將電子存儲的高密度與光子計(jì)算的高帶寬相融合，是突破傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)性能瓶頸的重要方向。然而，在現(xiàn)有架構(gòu)中，數(shù)據(jù)必須從存儲器讀出，經(jīng)由外圍CMOS電路處理，再驅(qū)動獨(dú)立的電光調(diào)制器才能轉(zhuǎn)換為光信號。這種繁瑣的“電—光”轉(zhuǎn)換流程帶來了顯著的延遲與能耗。能否讓存儲單元跳過外圍繁瑣電路，直接以光強(qiáng)形式輸出數(shù)據(jù)？近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心孫棟團(tuán)隊(duì)聯(lián)合湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院潘安練團(tuán)隊(duì)、天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院‌劉晶團(tuán)隊(duì)等合作者，開發(fā)出一種名為LuminoMem的超快非易失性光電存儲器。該器件巧妙地利用半導(dǎo)體碲(Te)納米片同時(shí)作為電荷存儲層和發(fā)光介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了納秒級的超快電學(xué)編程與中紅外光的直接發(fā)射，為未來的高能效光電存內(nèi)計(jì)算提供了全新的硬件基礎(chǔ)。
 

　　為了實(shí)現(xiàn)超快響應(yīng)速度，研究團(tuán)隊(duì)利用二維范德華異質(zhì)結(jié)浮柵架構(gòu)，構(gòu)建了基于多層石墨烯/六方氮化硼/碲/二氧化硅/p型硅(MLG/h-BN/Te/SiO?/p-Si)的LuminoMem器件。在該架構(gòu)中，窄帶隙半導(dǎo)體碲(~365meV)同時(shí)充當(dāng)電荷存儲層與發(fā)光介質(zhì)，h-BN作為電荷隧穿層，p型摻雜硅襯底作為控制柵。通過施加?xùn)艍?，電荷在MLG與Te之間通過Fowler-Nordheim隧穿發(fā)生轉(zhuǎn)移。正柵壓使電子注入Te層，降低了Te中的空穴濃度，這種電荷狀態(tài)的改變會抑制讀取激光(1550nm)激發(fā)下的輻射復(fù)合效率，使器件發(fā)光減弱(OFF態(tài))；負(fù)柵壓使空穴注入Te層，恢復(fù)空穴濃度，使發(fā)光增強(qiáng)(ON態(tài))。此外，撤去柵壓后，h-BN的高勢壘能夠?qū)㈦姾涉i定在Te層中，從而實(shí)現(xiàn)非易失性電荷存儲。
 

　　在器件性能上，LuminoMem展現(xiàn)出了多項(xiàng)卓越的關(guān)鍵指標(biāo)。通過調(diào)節(jié)編程脈沖幅值(−20V至+23V)，器件可獲得16個(gè)清晰分辨的發(fā)光強(qiáng)度等級(即單個(gè)存儲單元具備4-bit存儲能力)。此外，ON/OFF態(tài)在10,000秒內(nèi)無明顯衰減，且在±25V脈沖的極限測試下可穩(wěn)定循環(huán)超過1000次。在動態(tài)性能方面，最快僅需50ns的超短電脈沖即可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的高速切換。在讀取階段，采用1550nm通信波段激光(光子能量0.8eV，低于h-BN勢壘)，避免了讀取過程對存儲電荷的擾動，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無損讀取。
 

　　鑒于器件的光強(qiáng)多級可調(diào)特性高度契合突觸權(quán)重更新機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合硬件感知映射協(xié)議，將實(shí)測曲線代入三層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(784×300×10)執(zhí)行Fashion-MNIST圖像分類任務(wù)。在引入真實(shí)器件非理想性后實(shí)現(xiàn)了逼近理想軟件基線(92.47%)的86.9%識別準(zhǔn)確率。即便在系統(tǒng)中人為引入20%的隨機(jī)噪聲，識別率仍保持在76.6%，展現(xiàn)出極強(qiáng)的系統(tǒng)級穩(wěn)健性與容錯(cuò)率。
 

　　LuminoMem的核心突破在于打破了傳統(tǒng)電光轉(zhuǎn)換架構(gòu)，將“電荷存儲”與“光強(qiáng)輸出”集成于單一材料層中。這一架構(gòu)直接省去了讀出電路和外部調(diào)制器，證明了單一材料層能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電荷存儲、將電荷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為中紅外光發(fā)射，并通過納秒級電脈沖快速更新光學(xué)狀態(tài)，從而為未來“電寫權(quán)重、光做計(jì)算”的光電混合存算一體架構(gòu)奠定了硬件基礎(chǔ)。未來，隨著材料生長和光子集成技術(shù)的進(jìn)步，LuminoMem有望在高速光子計(jì)算、中紅外氣體傳感及自由空間光通信等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
 

　　該研究以“Ultrafast non-volatile charge storage and mid-infrared photoluminescence in LuminoMem tellurium devices for in-memory computing”為題發(fā)表于Nature Communications。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心博士后梁德瑯為文章的第一作者，孫棟、潘安練和劉晶為共同通訊作者。此項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
 

　　引用：物理學(xué)院孫棟團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)新型碲基超快浮柵存儲器中紅外光學(xué)存內(nèi)計(jì)算 北京大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年8月11日】