由大連理工大學(xué)集成電路學(xué)院梁紅偉教授、常玉春教授研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊Journal of Alloys and Compounds發(fā)布了一篇名為Enhancing the photoelectric synaptic plasticity of β-Ga2O3 films via improving crystalline quality（通過提高晶體質(zhì)量增強(qiáng) β-Ga2O3 薄膜的光電突觸可塑性）的文章。

項(xiàng)目支持

該研究受到遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目）（Grant Number ：2023-BSBA-028）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（Graant Number ：DUT -24BS008）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（Grant Number ：2023 -A1515110064）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(Grant Number : 2023YFB4503003）、國(guó)家自然科學(xué)基金（Grant Number ：62304030 和 62104024）、2022 年工業(yè)強(qiáng)基工程與制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展專項(xiàng)（No. TC220A04A-49）。

背景

仿生突觸集存儲(chǔ)和處理功能于一體，被認(rèn)為有望解決馮·諾伊曼架構(gòu)計(jì)算固有的硬件冗余、高功耗、存儲(chǔ)與計(jì)算分離所引發(fā)的延遲等問題，因而近年來受到廣泛關(guān)注。相比廣泛研究的電學(xué)仿生突觸，光電仿生突觸具有非接觸式、高速傳輸、低串?dāng)_、波長(zhǎng)復(fù)用及并行操作等優(yōu)勢(shì)，因此在智能傳感器、神經(jīng)假體以及仿生視覺等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。工作于日盲紫外波段（SBUV，200–280 nm）的光電仿生突觸具有極強(qiáng)的抗干擾能力，能顯著簡(jiǎn)化信息處理過程，并實(shí)現(xiàn)高精度目標(biāo)檢測(cè)。這使其在空間探索、火災(zāi)預(yù)警、軍事通信與仿生視覺等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。相比其他 SBUV 敏感材料，β-Ga2O3 具備禁帶寬度位于 SBUV 波段中部、高穩(wěn)定性、對(duì)偏振光敏感、易制備等優(yōu)勢(shì)。 然而，由于傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為 Ga2O3 材料的光電突觸可塑性源于氧空位等缺陷，因此，高結(jié)晶質(zhì)量的 β-Ga2O3 很少被用于光電仿生突觸。

主要內(nèi)容

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，Ga2O3 的光電突觸可塑性主要?dú)w因于材料中的氧空位等缺陷，因而高結(jié)晶質(zhì)量通常被視為不利因素。然而，在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過提高 β-Ga2O3 異質(zhì)外延薄膜的晶體質(zhì)量，顯著增強(qiáng)了光電突觸器件的突觸可塑性，使其恢復(fù)時(shí)間從 0.22 s 延長(zhǎng)至 3.05 s。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用質(zhì)量更高的 β-Ga2O3 同質(zhì)外延制備光電突觸器件，將器件的恢復(fù)時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至 40 s 以上。此外，該器件展現(xiàn)出多種突觸功能，包括多級(jí)存儲(chǔ)、短時(shí)記憶（STM）和長(zhǎng)時(shí)記憶（LTM）。同時(shí)，該器件在 1-10 V電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，具備模擬人眼虹膜功能的潛力，并能在高溫（630 K）條件下正常工作。結(jié)合薄膜的 PL、XPS 等表征分析，研究人員認(rèn)為這些高質(zhì)量 β-Ga2O3 薄膜所表現(xiàn)出的突觸可塑性來源于其固有的間接帶隙特性。

研究亮點(diǎn)

• 提升晶體質(zhì)量可以增強(qiáng) β-Ga2O3 薄膜的突觸可塑性；

• 優(yōu)化后的器件展現(xiàn)出多級(jí)存儲(chǔ)、短時(shí)記憶（STM）與長(zhǎng)時(shí)記憶（LTM）等功能；

• 該器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電壓穩(wěn)定性及高溫可工作性。

總結(jié)

該研究通過結(jié)合 β-Ga2O3 薄膜特性以及對(duì)應(yīng)的光電突觸器件性能，表明氧空位并不是導(dǎo)致 β-Ga2O3 材料的突觸可塑性的唯一因素，β-Ga2O3 固有的間接帶隙結(jié)構(gòu)同樣會(huì)導(dǎo)致 β-Ga2O3 材料具備突觸可塑性。此外，基于高質(zhì)量 β-Ga2O3 薄膜的光電突觸器件具有良好的電壓穩(wěn)定性，并且可在高溫條件下工作。本研究不僅加深了對(duì) β-Ga2O3 基 SBUV 器件的理解，也為其設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了重要參考。

圖文示例

圖 1：（a）S1 的 XRD 2θ-ω 掃描譜；（b）S1-S4 的（-201）反射面的XRD搖擺曲線；（c）S1-S4 的透射光譜

圖 2：（a）在 β-Ga2O3 異質(zhì)外延薄膜上制作的器件示意圖；（b）DS1-DS4 的 Idark；（c）DS1-DS4 的 I254

（來源：大連理工大學(xué)集成電路學(xué)院 ）