【会员论文】LIGHT-SCI APPL | 哈工大、国防科技大学、吉林大学：基于自陷空穴工程的β-Ga₂O₃光突触实现高精度日盲视觉与内计算系统

        由来自哈尔滨工业大学、国防科技大学、吉林大学的研究团队在学术期刊 Light: Science & Applications 发布了一篇名为 Two-terminal β-Ga₂O₃ photo-synapse for diversified in-sensor computing via self-trapped holes engineering（基于自陷空穴工程实现多样化传感器内计算的双端子 β-Ga₂O₃ 光突触）的文章。

        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，主要面向全球光学与光子学领域的高水平科研群体，聚焦具有原创性与突破性的前沿研究成果，是光学领域重要的高影响力综合性学术期刊之一。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）。

        人工智能产业飞速发展极大推动机器视觉技术落地，自动驾驶、空间探测、臭氧成像等场景对实时目标识别、图像分类、动作捕捉需求激增。传统机器视觉硬件依托冯・诺依曼分离架构，传感、存储、计算、GPU 硬件相互独立，数据跨模块传输带来巨大功耗损耗与传输延迟，计算效率存在天然瓶颈。对比人类视觉系统，视网膜可同步完成感光、滤波降噪、特征预处理，视神经与大脑分层并行处理视觉信息，整体功耗仅皮瓦级别，仿生视觉硬件成为领域核心攻关方向。

        超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 禁带覆盖日盲紫外波段，是构建日盲紫外神经形态视觉硬件的理想材料，持久光电流（PPC）是 β-Ga₂O₃ 光突触实现突触可塑性的核心物理基础。现有主流方案依赖氧空位（V_O）工程调控 PPC 效应：光照下氧空位电离迁移形成导电细丝，关光后空位重新捕获载流子，该机制存在三大致命缺陷：一是氧空位迁移动力学缓慢，器件光电响应速度偏低；二是高浓度氧空位造成薄膜偏离理想化学计量比，器件长期稳定性、循环可靠性大幅下降；三是电导权重更新非线性度高，后续神经网络识别精度受限。

        前期理论研究证实，β-Ga₂O₃ 中空穴有效质量极大，晶格局部畸变可诱导自陷空穴（STHs）生成，STHs 能大幅降低空穴迁移率并强化持久光电流效应，但基于 STHs 调控的高性能光突触器件及完整传感内计算系统尚未被系统开发，同时 STHs 调控与 V_O 调控的性能差异、STHs 型光突触在图像分类、抗噪追踪、动作识别多任务中的工程可行性仍缺乏完整实验与系统验证。

        人工智能技术的飞速发展推动了面向日盲紫外神经形态机器视觉系统的 β-Ga₂O₃ 光突触相关研究。但现有 β-Ga₂O₃ 光突触不仅稳定性较差，还存在权重更新非线性度高的问题。本文提出一种基于自陷空穴调控的全新方案，制备具备低权重更新非线性特性的 β-Ga₂O₃ 光突触，以实现多类传感内计算任务。理论与实验研究表明，β-Ga₂O₃ 中空穴较大的有效质量与局部晶格畸变相互作用，会促进自陷空穴生成；自陷空穴可大幅降低空穴迁移率，增强持久光电流效应。所制备的 β-Ga₂O₃ 光突触具备优异的短时可塑性，通过调控 252 nm 紫外光的相关参数，可实现短时可塑性向长时可塑性的转变。该器件权重更新非线性度低至 0.42，性能优于绝大多数已报道的光突触。最后，将 β-Ga₂O₃ 光突触集成至神经形态机器视觉系统，可完成从底层图像分类到高层动作识别的多类视觉任务：在 MNIST、Fashion-MNIST 数据集上的识别准确率分别达到 99.48%、92.70%；在 60% 高斯噪声干扰下目标追踪准确率仍保持 100%，针对 UTD-MHAD 数据集的 10 类人体动作识别准确率达 94.94%。上述结果证明，基于自陷空穴调控的 β-Ga₂O₃ 光突触在人工智能时代具备巨大应用潜力。

        提出全新自陷空穴（STHs）调控机制替代传统氧空位（V_O）工程制备 β-Ga₂O₃ 日盲紫外光突触，解决传统器件稳定性差、权重更新非线性高、响应速度慢的核心短板；通过磁控溅射功率提升诱导原子轰击效应引入晶格局部畸变，精准提升 STHs 浓度，薄膜化学计量比、V_O 浓度无明显变化，调控手段不引入额外缺陷。

        第一性原理计算结合 KPFM、PL 表征完整揭示 STHs 增强持久光电流（PPC）物理机理：空穴大有效质量 + 晶格畸变捕获形成 STHs，捕获 / 脱陷势垒差大幅降低空穴迁移率，同时跳跃输运进一步延缓载流子复合，在仅小幅牺牲上升时间（增幅 35.61%）前提下，衰减时间提升 4604.92%，兼顾探测速度与持久光电流性能。

        双端 β-Ga₂O₃ 光突触实现完整生物突触模拟（PPF、SRDP、STP-LTP 可逆转换、学习遗忘行为），权重更新非线性度低至 0.42，优于绝大多数已报道光电突触；器件具备优异循环稳定性、长期存储稳定性与片间一致性。

        基于该光突触搭建完整日盲紫外传感内计算神经视觉系统，分别结合 CNN 与储备池计算（RC）完成多层级视觉任务：MNIST 识别 99.48%、Fashion-MNIST 识别 92.70%；60% 高斯噪声下目标追踪精度 100%；UTD-MHAD 10 类动作识别 94.94%，无需额外降噪算法，天然具备抗干扰成像能力。

        器件为纯载流子俘获型突触，无离子迁移过程，电导响应线性度显著优于 V_O 细丝型器件，制备工艺简单，适配工业化大面积制备。

        该工作通过提升自陷空穴浓度，制备出权重更新非线性度低至 0.42 的 β-Ga₂O₃ 光突触，实现了多层次传感内计算任务。理论与实验研究表明，β-Ga₂O₃ 中空穴较大的有效质量与局部晶格畸变相互作用会促进自陷空穴生成，大幅降低空穴迁移率并增强持久光电流效应。通过将磁控溅射功率由 60 W 提升至 120 W，制备得到高自陷空穴浓度的 β-Ga₂O₃ 薄膜；开尔文探针力显微镜（KPFM）测试结果证实，该薄膜中空穴迁移率显著降低，且经过 20 min 衰减后仍能维持较高的空穴表面电势。所制备的 β-Ga₂O₃ 光突触可模拟完整突触行为，包括快衰减时间 0.34 s、慢衰减时间 6.43 s 的短时可塑性，同时能够实现双脉冲易化向脉冲频率依赖可塑性的转变。通过调控 252 nm 紫外光的光强、照射时长与脉冲频率，可将短时可塑性（STP）转化为长时可塑性（LTP），有效模拟人脑的学习记忆行为，且该 β-Ga₂O₃ 光突触的响应峰值与探测速度不受影响。

        该 β-Ga₂O₃ 光突触在图像分类、抗噪目标追踪与人体动作识别任务中均表现出优异性能，验证了其传感内计算能力。图像分类任务中，器件在 MNIST 数据集测试准确率为 99.48%，Fashion-MNIST 数据集测试准确率为 92.70%，性能与商用 GPU 接近；目标追踪场景下，噪声强度达到 60% 时追踪准确率依旧保持 100%。此外，基于 2×8 阵列 β-Ga₂O₃ 光突触搭建的物理储备池计算系统，在 UTD-MHAD 数据集 10 类人体动作识别任务中取得 94.94% 的识别精度，接近商用 GPU 97.47% 的识别水平。

        本研究证明，基于自陷空穴调控的 β-Ga₂O₃ 光突触在神经形态传感内计算系统中具备巨大应用潜力，拥有制备工艺简单、权重更新非线性低、适合工业化大规模生产等优势。该研究成果为开发高性能、高实用性的新一代神经形态器件提供了新思路。

        本研究得到国家自然科学基金（编号 62174042）、国防科技大学科研项目（22-ZZCX-07）、合肥综合性国家科学中心（网络安全威胁智能治理系统 KY23C503）资助。

DOI ： 

10.1038/s41377-026-02298-2