由大連理工大學(xué)集成電路學(xué)院梁紅偉教授、常玉春教授研究團隊在學(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 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(xué)基金聯(lián)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(yè)務(wù)費（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）、國家重點研發(fā)計劃(Grant Number : 2023YFB4503003）、國家自然科學(xué)基金（Grant Number ：62304030 和 62104024）、2022 年工業(yè)強基工程與制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)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(gòu)計算固有的硬件冗余、高功耗、存儲與計算分離所引發(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、低串擾、波長復(fù)用及并行操作等優(yōu)勢，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的抗干擾能力，能顯著簡化信息處理過程，并實現(xiàn)高精度目標檢測。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、對偏振光敏感、易制備等優(yōu)勢。 然而，由于傳統(tǒng)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(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(jié)晶質(zhì)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(zhì)外延薄膜的晶體質(zhì)量，顯著增強了光電突觸器件的突觸可塑性，使其恢復(fù)時間從 0.22 s 延長至 3.05 s。受此啟發(fā)，研究團隊進一步采用質(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)時間進一步延長至 40 s 以上。此外，該器件展現(xiàn)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(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
• 提升晶體質(zhì)量可以增強 β-Ga2O3 薄膜的突觸可塑性；
• 優(yōu)化后的器件展現(xiàn)出多級存儲、短時記憶（STM）與長時記憶（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 β-Ga2O3 基 SBUV 器件的理解，也為其設(shè)計與開發(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 ）