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【会员论文】东北师范大学光学顶刊发表！用于神经形态视觉系统的具有数千个电导态的超高线性度Ga₂O₃基级联异质结光电突触
日期：2025-10-22阅读：28
由东北师范大学的研究团队在学术期刊 light: science & applications 发布了一篇名为 Ultra-highly linear Ga2O3-based cascade heterojunctions optoelectronic synapse with thousands of conductance states for neuromorphic visual system（用于神经形态视觉系统的具有数千个电导态的超高线性度 Ga2O3 基级联异质结光电突触）的文章。
期刊介绍
light: science & applications是由中国科学院主管，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所与自然出版集团（Nature Publishing Group，NPG）合作出版的开放获取的全英文光学学术期刊。期刊网络版于2012年3月29日创刊，印刷版于2013年创刊。是SCI和Scopus数据库收录刊源。其分区情况为光学领域的Top3期刊，2025年影响因子为23.4（Q1分区）。
项目支持
本研究获得国家自然科学基金杰出青年基金（编号：52025022）、青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-I10）、国家自然科学基金项目 （No. U23A20568, 52372137, 52402175, 62404038）、中国博士后科学基金（GZB20240135）以及吉林省资助项目（No. 20230402072GH）。
背 景
受生物视觉系统启发，集信息感知、记忆和处理于一体的神经形态视觉系统（NVS），能够克服传统计算机视觉系统的瓶颈，实现高效、低功耗的计算。在导弹预警、安全通信等领域，对深紫外（DUV）波段的感知和处理至关重要，因为该波段在地球表面背景噪声极低。光电突触是构建 NVS 的核心硬件。 然而，现有的基于 Ga2O3 等超宽禁带半导体的 DUV 光电突触普遍存在载流子复合过快的问题，这导致其可调控的电导态数量少且权重更新的线性度差，严重制约了 DUV NVS 的图像识别精度。因此，开发一种能够精细调控光生载流子动力学，以实现多状态、高线性度突触特性的新器件结构，是当前面临的关键挑战。
主要内容
超宽带隙半导体光电突触可实现低误报率的高并行计算，使其成为构建深紫外（DUV）类脑视觉系统（NVS）的理想选择。然而，这些光电突触中载流子的快速复合导致导电态数量不足且线性权重更新协议效率低下，进而降低了 DUV 神经形态视觉系统的图像识别精度。本研究提出一种级联异质结结构，通过在锡掺杂 Ga2O3 与缺氧铪氧化物(GTO/Al/HfOx)薄膜间嵌入铝梳状电极，实现对光生载流子动力学的精细调控。GTO/HfOx 异质结与 Al/HfOx 空穴肖特基结界面处的内建电场，分别促进光生载流子的分离及空穴在 HfOx 氧缺陷中的捕获。该 GTO/Al/HfOx 光电子突触展现出超过 104 A/W 的超高响应度与 6 × 105 的光暗电流比，由此实现突破性的突触可塑性——具备前所未有的 4096 个导电状态，并以 0.992 的拟合系数呈现卓越线性度。这些特性使 GTO/Al/HfOx 光电子突触能够执行具有容错能力的逻辑运算，并实现高精度指纹分类。创新的级联异质结设计与阐明的载流子动力学调制机制，为深紫外非易失性存储器（DUV NVS）的开发奠定了基础。
创新点
● 首次提出并实现了一种 GTO/Al/HfOx 的“半导体/金属/半导体”三明治异质结结构，巧妙地实现了对光生载流子动力学的精细调控。
● 创新性地结合了 II 型异质结和空穴肖特基结，成功实现了巨大光电导增益，从而解决了传统 DUV 突触器件线性度差、电导态少的瓶颈问题。
● 实现了 4096 个电导态和 0.992 的线性度，在光电突触领域达到了前所未有的水平，远超现有各类材料体系的突触器件。
● 基于该器件的实验数据，成功进行了高精度的指纹识别仿真，并展示了优异的抗噪声能力，有力证明了其在构建实用化 DUV NVS 中的巨大潜力。
总 结
本实验通过 GTO/Al/HfOx 级联异质结设计，成功制备出一种多态线性可编程光电突触。对光响应性能及内在机制的深入解析表明：GTO/Al/HfOx 光电突触的增益主要由 GTO/HfOx 界面内建电场辅助的空穴-电子分离主导，并通过后续 Al/HfOx 肖特基势垒介导的氧缺陷 HfOx 层空穴捕获实现协同效应，从而获得超高响应度。该结构实现了前所未有的 4096 导电态数量级，并具备优异的导电调节线性度（拟合系数达 0.992），可模拟生物行为并执行光电逻辑运算与算术计算。此外，基于 GTO/Al/HfOx 神经可变电容的指纹分类功能已实现高精度验证。这些卓越性能证明：提出的级联异质结策略能有效提升深紫外神经可变电容用超宽带隙半导体光电突触性能，并具有更广泛的材料应用潜力。
图1：GTO/Al/HfOx 级联异质结的设计。
图2：GTO/Al/HfOx 级联异质结的光响应机制。
图3：GTO/Al/HfOx 级联异质结中的光电子突触可塑性。
图4：GTO/Al/HfOx 光电突触中的逻辑运算与算术计算。
图5：线性光学增强/电抑制行为与高精度图像分类功能。
DOI：
doi.org/10.1038/s41377-025-01897-9
