物理学院孙栋团队实现新型碲基超快浮栅存储器中红外光学存内计算
发布时间: 2026-08-11 17:19:20
将电子存储的高密度与光子计算的高带宽相融合，是突破传统冯·诺依曼架构性能瓶颈的重要方向。然而，在现有架构中，数据必须从存储器读出，经由外围CMOS电路处理，再驱动独立的电光调制器才能转换为光信号。这种繁琐的“电—光”转换流程带来了显著的延迟与能耗。能否让存储单元跳过外围繁琐电路，直接以光强形式输出数据？近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋团队联合湖南大学材料科学与工程学院潘安练团队、天津大学精密仪器与光电子工程学院刘晶团队等合作者，开发出一种名为LuminoMem的超快非易失性光电存储器。该器件巧妙地利用半导体碲（Te）纳米片同时作为电荷存储层和发光介质，实现了纳秒级的超快电学编程与中红外光的直接发射，为未来的高能效光电存内计算提供了全新的硬件基础。
图1 LuminoMem器件的概念与工作机制示意图
为了实现超快响应速度，研究团队利用二维范德华异质结浮栅架构，构建了基于多层石墨烯/六方氮化硼/碲/二氧化硅/p型硅（MLG/h-BN/Te/SiO₂/p-Si）的LuminoMem器件。在该架构中，窄带隙半导体碲（~365meV）同时充当电荷存储层与发光介质，h-BN作为电荷隧穿层，p型掺杂硅衬底作为控制栅。通过施加栅压，电荷在MLG与Te之间通过Fowler-Nordheim隧穿发生转移。正栅压使电子注入Te层，降低了Te中的空穴浓度，这种电荷状态的改变会抑制读取激光（1550nm）激发下的辐射复合效率，使器件发光减弱（OFF态）；负栅压使空穴注入Te层，恢复空穴浓度，使发光增强（ON态）。此外，撤去栅压后，h-BN的高势垒能够将电荷锁定在Te层中，从而实现非易失性电荷存储。
在器件性能上，LuminoMem展现出了多项卓越的关键指标。通过调节编程脉冲幅值（−20V至+23V），器件可获得16个清晰分辨的发光强度等级（即单个存储单元具备4-bit存储能力）。此外，ON/OFF态在10,000秒内无明显衰减，且在±25V脉冲的极限测试下可稳定循环超过1000次。在动态性能方面，最快仅需50ns的超短电脉冲即可实现状态的高速切换。在读取阶段，采用1550nm通信波段激光（光子能量0.8eV，低于h-BN势垒），避免了读取过程对存储电荷的扰动，能够实现数据无损读取。
图2 Te基LuminoMem器件结构与基本表征
鉴于器件的光强多级可调特性高度契合突触权重更新机制，研究团队结合硬件感知映射协议，将实测曲线代入三层全连接神经网络（784×300×10）执行Fashion-MNIST图像分类任务。在引入真实器件非理想性后实现了逼近理想软件基线（92.47%）的86.9%识别准确率。即便在系统中人为引入20%的随机噪声，识别率仍保持在76.6%，展现出极强的系统级稳健性与容错率。
LuminoMem的核心突破在于打破了传统电光转换架构，将“电荷存储”与“光强输出”集成于单一材料层中。这一架构直接省去了读出电路和外部调制器，证明了单一材料层能够同时实现电荷存储、将电荷状态转化为中红外光发射，并通过纳秒级电脉冲快速更新光学状态，从而为未来“电写权重、光做计算”的光电混合存算一体架构奠定了硬件基础。未来，随着材料生长和光子集成技术的进步，LuminoMem有望在高速光子计算、中红外气体传感及自由空间光通信等领域发挥重要作用。
该研究以“Ultrafast non-volatile charge storage and mid-infrared photoluminescence in LuminoMem tellurium devices for in-memory computing”为题发表于Nature Communications。北京大学物理学院量子材料科学中心博士后梁德琅为文章的第一作者，孙栋、潘安练和刘晶为共同通讯作者。此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
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