近年來，隨著摩爾定律的放緩和馮?諾依曼瓶頸的日益突出，如何在光學(xué)與電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高速、低功耗的存算一體化系統(tǒng)，成為了科技界的重要課題。近日，由沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)張西祥教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)薛飛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)的研究成果，成功開發(fā)出首款全光譜可編程光控憶阻器，并在全球頂級(jí)期刊Nature Nanotechnology上發(fā)表。這一創(chuàng)新器件的推出，標(biāo)志著神經(jīng)形態(tài)計(jì)算邁入了一個(gè)全新的紀(jì)元。

三大顛覆性創(chuàng)新

1.這款光控憶阻器突破了傳統(tǒng)光控憶阻器的光譜限制，采用了氮化硼（hBN）和硅（Si）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了紫外至近紅外波段（375-1064nm）的全光譜響應(yīng)，相比現(xiàn)有技術(shù)，波長響應(yīng)范圍拓寬了400%。這一突破為未來光學(xué)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.器件具備三態(tài)可切換的光控記憶功能。在低功率激光下，器件能夠激活瞬態(tài)記憶，模擬生物神經(jīng)元的短期記憶；而在高功率激光下，則可形成長期穩(wěn)定記憶，實(shí)現(xiàn)信息的永久存儲(chǔ)。此外，單波長激光便可完成模式重構(gòu)，賦予設(shè)備更多的靈活性和適應(yīng)性。

3.器件在極端環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性與可靠性。其在300℃高溫下能連續(xù)運(yùn)行106次且性能無衰減，保持時(shí)間超過40,000秒，且支持4英寸晶圓級(jí)均勻制備，器件尺寸可精確控制至500nm。

圖1：全球首款hBN/Si光控憶阻器陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝全解析，涵蓋低溫PECVD生長hBN薄膜（250℃）、界面表征（0.34nm完美界面）、4英寸晶圓實(shí)物（500nm微縮單元）及多維度制備細(xì)節(jié)驗(yàn)證。

圖2：光控憶阻器的多模式電學(xué)特性與性能驗(yàn)證圖，展示其在不同光照/黑暗下的電阻切換行為（強(qiáng)光非易失態(tài)、弱光易失態(tài)、黑暗非阻態(tài)）、超11小時(shí)的穩(wěn)定存儲(chǔ)（40,000秒保持）、5×5陣列光寫入"K A U S T"圖案及千器件級(jí)電壓一致性（波動(dòng)＜5%）。

圖3：器件在紫外-近紅外全光譜（375-1064nm）下的光控開關(guān)特性及多材料對(duì)比優(yōu)勢(shì)圖，通過5種激光波長驗(yàn)證其超寬帶響應(yīng)（覆蓋人眼可見光+部分紅外），并橫向?qū)Ρ绕渌牧?，證實(shí)其光耦合開關(guān)比與響應(yīng)波長范圍全球領(lǐng)先。

圖4：光編程實(shí)現(xiàn)憶阻器多態(tài)記憶訓(xùn)練的原理驗(yàn)證圖，展示弱光（5%功率，易失態(tài)）與強(qiáng)光（100%功率，非易失態(tài)）下的脈沖切換行為，以及讀取時(shí)低電壓（1V）穩(wěn)定識(shí)別"長期記憶"的特性，完美模擬人腦神經(jīng)突觸的"短期→長期記憶"轉(zhuǎn)化過程。

本研究首次實(shí)現(xiàn)了基于氮化硼/硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的超寬帶、多模式可重構(gòu)光控憶阻器。該器件的成功開發(fā)，不僅在理論上突破了光控憶阻器的性能瓶頸，也為下一代光學(xué)神經(jīng)形態(tài)硬件的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化工作電壓、提高面積均一性以及探索多級(jí)存儲(chǔ)模式，該技術(shù)將在智能視覺、邊緣計(jì)算等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

隨著這一技術(shù)的不斷成熟，光控憶阻器有望在更加復(fù)雜和多變的環(huán)境中執(zhí)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、信息存儲(chǔ)等任務(wù)，助力人工智能和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的飛躍。我們期待這一突破能為下一代高效、智能的計(jì)算系統(tǒng)開辟全新的天地。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-025-01991-4

https://go.nature.com/454b5I5