北京大學物理學院孫棟團隊實現新型碲基超快浮柵存儲器中紅外光學存內計算

　　【儀表網 研發快訊】將電子存儲的高密度與光子計算的高帶寬相融合，是突破傳統馮·諾依曼架構性能瓶頸的重要方向。然而，在現有架構中，數據必須從存儲器讀出，經由外圍CMOS電路處理，再驅動獨立的電光調制器才能轉換為光信號。這種繁瑣的“電—光”轉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，直接以光強形式輸出數據？近日，北京大學物理學院量子材料科學中心孫棟團隊聯合湖南大學材料科學與工程學院潘安練團隊、天津大學精密儀器與光電子工程學院‌劉晶團隊等合作者，開發出一種名為LuminoMem的超快非易失性光電存儲器。該器件巧妙地利用半導體碲(Te)納米片同時作為電荷存儲層和發光介質，實現了納秒級的超快電學編程與中紅外光的直接發射，為未來的高能效光電存內計算提供了全新的硬件基礎。
 

　　為了實現超快響應速度，研究團隊利用二維范德華異質結浮柵架構，構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。在該架構中，窄帶隙半導體碲(~365meV)同時充當電荷存儲層與發光介質，h-BN作為電荷隧穿層，p型摻雜硅襯底作為控制柵。通過施加柵壓，電荷在MLG與Te之間通過Fowler-Nordheim隧穿發生轉移。正柵壓使電子注入Te層，降低了Te中的空穴濃度，這種電荷狀態的改變會抑制讀取激光(1550nm)激發下的輻射復合效率，使器件發光減弱(OFF態)；負柵壓使空穴注入Te層，恢復空穴濃度，使發光增強(ON態)。此外，撤去柵壓后，h-BN的高勢壘能夠將電荷鎖定在Te層中，從而實現非易失性電荷存儲。
 

　　在器件性能上，LuminoMem展現出了多項卓越的關鍵指標。通過調節編程脈沖幅值(−20V至+23V)，器件可獲得16個清晰分辨的發光強度等級(即單個存儲單元具備4-bit存儲能力)。此外，ON/OFF態在10,000秒內無明顯衰減，且在±25V脈沖的極限測試下可穩定循環超過1000次。在動態性能方面，最快僅需50ns的超短電脈沖即可實現狀態的高速切換。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，能夠實現數據無損讀取。
 

　　鑒于器件的光強多級可調特性高度契合突觸權重更新機制，研究團隊結合硬件感知映射協議，將實測曲線代入三層全連接神經網絡(784×300×10)執行Fashion-MNIST圖像分類任務。在引入真實器件非理想性后實現了逼近理想軟件基線(92.47%)的86.9%識別準確率。即便在系統中人為引入20%的隨機噪聲，識別率仍保持在76.6%，展現出極強的系統級穩健性與容錯率。
 

　　LuminoMem的核心突破在于打破了傳統電光轉換架構，將“電荷存儲”與“光強輸出”集成于單一材料層中。這一架構直接省去了讀出電路和外部調制器，證明了單一材料層能夠同時實現電荷存儲、將電荷狀態轉化為中紅外光發射，并通過納秒級電脈沖快速更新光學狀態，從而為未來“電寫權重、光做計算”的光電混合存算一體架構奠定了硬件基礎。未來，隨著材料生長和光子集成技術的進步，LuminoMem有望在高速光子計算、中紅外氣體傳感及自由空間光通信等領域發揮重要作用。
 

　　該研究以“Ultrafast non-volatile charge storage and mid-infrared photoluminescence in LuminoMem tellurium devices for in-memory computing”為題發表于Nature Communications。北京大學物理學院量子材料科學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。此項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
 

　　引用：物理學院孫棟團隊實現新型碲基超快浮柵存儲器中紅外光學存內計算 北京大學 【引用時間：2026年8月11日】