由大連理工大學集成電路學院梁紅偉教授、常玉春教授研究團隊在學術期刊Journal of Alloys and Compounds發布了一篇名為Enhancing the photoelectric synaptic plasticity of β-Ga2O3 films via improving crystalline quality（通過提高晶體質量增強 β-Ga2O3 薄膜的光電突觸可塑性）的文章。

項目支持

該研究受到遼寧省自然科學基金聯合基金（博士科研啟動項目）（Grant Number ：2023-BSBA-028）、中央高校基本科研業務費（Graant Number ：DUT -24BS008）、廣東省基礎與應用基礎研究基金（Grant Number ：2023 -A1515110064）、國家重點研發計劃(Grant Number : 2023YFB4503003）、國家自然科學基金（Grant Number ：62304030 和 62104024）、2022 年工業強基工程與制造業高質量發展專項（No. TC220A04A-49）。

背景

仿生突觸集存儲和處理功能于一體，被認為有望解決馮·諾伊曼架構計算固有的硬件冗余、高功耗、存儲與計算分離所引發的延遲等問題，因而近年來受到廣泛關注。相比廣泛研究的電學仿生突觸，光電仿生突觸具有非接觸式、高速傳輸、低串擾、波長復用及并行操作等優勢，因此在智能傳感器、神經假體以及仿生視覺等領域展現出巨大應用潛力。工作于日盲紫外波段（SBUV，200–280 nm）的光電仿生突觸具有極強的抗干擾能力，能顯著簡化信息處理過程，并實現高精度目標檢測。這使其在空間探索、火災預警、軍事通信與仿生視覺等領域具有廣闊應用前景。相比其他 SBUV 敏感材料，β-Ga2O3 具備禁帶寬度位于 SBUV 波段中部、高穩定性、對偏振光敏感、易制備等優勢。 然而，由于傳統觀點認為 Ga2O3 材料的光電突觸可塑性源于氧空位等缺陷，因此，高結晶質量的 β-Ga2O3 很少被用于光電仿生突觸。

主要內容

傳統觀點認為，Ga2O3 的光電突觸可塑性主要歸因于材料中的氧空位等缺陷，因而高結晶質量通常被視為不利因素。然而，在該研究中，研究團隊通過提高 β-Ga2O3 異質外延薄膜的晶體質量，顯著增強了光電突觸器件的突觸可塑性，使其恢復時間從 0.22 s 延長至 3.05 s。受此啟發，研究團隊進一步采用質量更高的 β-Ga2O3 同質外延制備光電突觸器件，將器件的恢復時間進一步延長至 40 s 以上。此外，該器件展現出多種突觸功能，包括多級存儲、短時記憶（STM）和長時記憶（LTM）。同時，該器件在 1-10 V電壓范圍內表現出優異的穩定性，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。結合薄膜的 PL、XPS 等表征分析，研究人員認為這些高質量 β-Ga2O3 薄膜所表現出的突觸可塑性來源于其固有的間接帶隙特性。

研究亮點

• 提升晶體質量可以增強 β-Ga2O3 薄膜的突觸可塑性；

• 優化后的器件展現出多級存儲、短時記憶（STM）與長時記憶（LTM）等功能；

• 該器件表現出優異的電壓穩定性及高溫可工作性。

總結

該研究通過結合 β-Ga2O3 薄膜特性以及對應的光電突觸器件性能，表明氧空位并不是導致 β-Ga2O3 材料的突觸可塑性的唯一因素，β-Ga2O3 固有的間接帶隙結構同樣會導致 β-Ga2O3 材料具備突觸可塑性。此外，基于高質量 β-Ga2O3 薄膜的光電突觸器件具有良好的電壓穩定性，并且可在高溫條件下工作。本研究不僅加深了對 β-Ga2O3 基 SBUV 器件的理解，也為其設計與開發提供了重要參考。

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：大連理工大學集成電路學院 ）