【国内论文】南京理工大学---通过偏压调制在ALD生长的不规则Ga₂O₃薄膜中集成光检测与类脑视觉技术

        由南京理工大学的研究团队在学术期刊 Optics Express 发布了一篇名为 Integrating photodetection and neuromorphic vision in ALD-grown amorphous Ga₂O₃ thin films via bias-voltage modulation（通过偏压调制在ALD生长的不规则 Ga₂O₃ 薄膜中集成光检测与类脑视觉技术）的文章。

        本研究由中央高校基本科研业务费专项资金（30923011002）支持。

        氧化镓 (Ga₂O₃) 是一种超宽禁带 (UWBG) 半导体材料，由于其卓越的特性，包括超宽禁带、高折射率和优异的机械硬度，吸引了大量的研究关注。这些特性使其非常适用于传感系统、存储设备、电力电子和光电探测器等多种应用。最近，基于 Ga₂O₃ 的光电人工突触引起了广泛关注，其可应用于图像识别和信息加密领域 。特别是，Ga₂O₃ 因其可调的禁带宽度（4.5-5.3 eV）而成为深紫外 (DUV) 光电探测的绝佳候选材料。这种宽禁带确保了其在可见光谱中的高透明度，同时能够强烈吸收深紫外辐射。

        本研究展示了一种研究人员认为是新的原子层沉积 (ALD) 工艺，该工艺利用 GaCl₃ 和水蒸气作为互补前驱体来合成高质量的 Ga₂O₃ 薄膜。所开发的工艺能够生长具有亚纳米表面粗糙度和 5.29 eV 超宽带隙的超光滑非晶 Ga₂O₃ 层，非常适合深紫外 (DUV) 光子应用。采用 Au/Ga₂O₃/Au 结构的金属-半导体-金属 (MSM) 光电探测器实现了卓越的性能指标，包括在 254 nm 光照下高达 98.36 的出色光电流比以及超快响应特性（0.23 秒上升时间/0.25 秒衰减时间）。这些器件表现出独特的偏压可调双模操作：低压操作实现传统的快速响应光电探测，而高偏压条件则诱导持续光电导效应。这种电压依赖的可重构性允许有效模拟神经生物学功能，特别是展示了成对脉冲易化并复制了复杂的学习-遗忘-再学习认知过程。研究结果表明，ALD 生长的 Ga₂O₃ 是一个多功能平台，用于开发高性能 DUV 探测与神经形态计算能力协同集成的多功能光电系统，为下一代可重构光存储器件和仿生视觉处理架构铺平了道路。

        ●该研究开发出一种新的 ALD 工艺，利用 GaCl₃ 和 H₂O 作为互补前驱体实现高质量 Ga₂O₃ 薄膜的原子层沉积（ALD）。

        ●实现了双功能器件：在单一结构中融合传统光电探测与类神经视觉功能

        ●通过结合 XPS 分析和器件响应行为，揭示偏压调控下的载流子俘获机制与神经仿生效应关联。

        本研究展示了使用 GaCl₃ 和 H₂O 作为新型前驱体组合，通过热原子层沉积 (ALD) 生长高质量 Ga₂O₃ 薄膜。ALD 的自限制、逐层生长特性实现了精确的厚度控制，并获得了具有优异均匀性和低表面粗糙度的薄膜。光学表征显示出强大的深紫外吸收，其禁带宽度可在 4.5 至 5.5 eV 范围内调谐。制造的金属-半导体-金属 (MSM) 光电探测器在 1 V 偏压下表现出卓越的性能指标，包括高达 98.36 的高光电导率比 (PDCR) 和快速响应特性（上升时间 τ_r1 = 0.23 秒；衰减时间 τ_d1 = 0.25 秒）。值得注意的是，该器件展示了偏压可调的多功能性，能够实现传统光电探测和神经形态视觉传感模式之间的可逆切换。在高偏压下，可以实现诸如成对脉冲易化和学习-遗忘-再学习过程等生物突触行为。这些结果突出了 ALD 衍生的 Ga₂O₃ 薄膜在开发具有集成功能的新一代可重构光电器件方面的巨大潜力。

图 1. 使用 GaCl₃ 和 H₂O的 Ga₂O₃ 的 ALD 工艺示意图。

图 2. Ga₂O₃ 薄膜的 GPC曲线，以 (a) GaCl₃ 脉冲时间、(b) H2O 脉冲时间和 (c) 生长温度为函数。(d) 薄膜厚度与300°C 下 ALD 循环次数的关系图。

DOI：

doi.org/10.1364/OE.564628