【会员论文】APL | 南京邮电大学施政团队：利用Ga₂O₃/GaN异质结光电流极性反转实现自供电可重构紫外逻辑，单器件实现六种逻辑功能

        南京邮电大学施政团队在国际学术期刊Applied Physics Letters发表题为Self-Powered Programmable UV Optoelectronic Logic Gates via Polarity-Reversal Photocurrent in a Ga₂O₃/GaN Heterojunction（基于Ga₂O₃/GaN异质结光电流极性反转的自供电可编程紫外光电逻辑门）的研究成果。该工作利用Ga₂O₃/GaN异质结在不同紫外波长激发下产生的光电流极性反转，在零偏压条件下实现了多种可重构紫外光电逻辑功能，为低功耗紫外感知与信息处理提供了新的器件实现方案。

        随着人工智能、边缘计算等技术快速发展，数据流量和信息处理需求持续增长，传统电子逻辑硬件在功耗、互连复杂度和系统集成度等方面面临新的挑战。特别是在紫外感知与通信领域，如何构建兼具低功耗、紧凑结构和直接紫外信息处理能力的逻辑器件，已成为紫外光电信息技术的重要研究方向。

        紫外光具有背景干扰低、光谱选择性强等特点，在安全通信、环境监测、空间通信及信息加密等领域具有广泛应用前景。传统光电信息处理系统通常需要先利用光电探测器完成“光—电”转换，再通过独立电子逻辑电路进行后续运算。这种分立式“光—电—逻辑”架构不仅增加了系统硬件复杂度，也带来了额外的能量消耗。

        光电逻辑器件能够直接将光学输入与逻辑运算相结合，为构建低功耗、紧凑型光信息处理系统提供了新的技术路径。近年来，利用光谱、偏振和光强等光学维度实现逻辑运算的研究不断发展，但同时兼具紫外响应、自供电工作、单器件多逻辑功能和可重构能力的光电逻辑平台仍较为有限。

        宽禁带半导体为构建紫外光电逻辑器件提供了良好的材料基础。β-Ga₂O₃具有约4.9 eV的超宽禁带，在深紫外尤其是日盲紫外探测方面具有突出优势；GaN则具有成熟的材料生长与器件制备技术，并具有良好的近紫外响应特性。构建Ga₂O₃/GaN异质结不仅能够结合二者的紫外光谱响应特性，还可借助异质结内建电场实现零偏压下的自供电光电转换。

        更关键的是，254 nm和365 nm紫外光在Ga₂O₃/GaN异质结中的吸收区域及载流子输运过程存在明显差异，可能产生不同方向的光电流。利用这种波长依赖的光电流极性反转，不同紫外光输入可以被直接编码为不同逻辑状态，从而为在单个光电器件中实现可重构逻辑运算提供了物理基础。

        因此，构建能够在零偏压下工作，并利用不同紫外波长产生的光电流极性差异执行多种逻辑运算的单器件平台，对发展低功耗、高集成度紫外光电信息处理技术具有重要意义。

        本研究构建了一种基于β-Ga₂O₃/GaN异质结的自供电紫外光电探测器，并进一步利用不同紫外波长激发下产生的光电流极性反转，实现可编程紫外光电逻辑功能。

        研究团队首先在Si基GaN模板上制备Ga₂O₃/GaN异质结。GaN外延结构包括800 nm GaN缓冲层、3 μm非故意掺杂GaN层和180 nm Mg掺杂p-GaN层，并采用射频磁控溅射在p-GaN表面沉积β-Ga₂O₃薄膜。器件采用叉指电极结构，以增加载流子收集周长并缩短光生载流子的横向输运距离，从而提升零偏压下的载流子收集能力。XRD和XPS表征进一步验证了β-Ga₂O₃薄膜的形成。

        器件光谱响应测试表明，在紫外波段存在明显的双峰响应特征，在257 nm和350 nm附近出现响应峰，基于这一特征，研究选取254 nm和365 nm作为后续逻辑操作的两种紫外光输入。在零偏压条件下，器件暗电流约为90 pA；在254 nm和365 nm紫外光照射下，器件电流均提升约3–4个数量级。

        值得关注的是，在相同的零偏压条件下，器件在254 nm和365 nm紫外光照射下产生了方向相反的光电流：254 nm照射产生正向光电流，而365 nm照射则产生反向光电流。这一光电流极性反转源于两种波长不同的光吸收区域和载流子输运机制。254 nm光子主要被β-Ga₂O₃吸收，光生载流子在异质结内建电场作用下产生正向光电流；365 nm光可以进一步穿透β-Ga₂O₃并在GaN区域产生光生载流子，使有效内建电场发生变化，并使扩散过程逐渐占据主导，最终形成相反方向的光电流。

        基于这一波长依赖的光电流极性反转机制，研究进一步提出了两种互补的可重构逻辑工作模式。

        第一种为“Switch-to-Logic”模式。以两路独立驱动的254 nm和365 nm UV LED作为光学输入，将LED的开启和关闭分别定义为逻辑“1”和“0”，并依据器件输出光电流设置逻辑判定阈值。通过这一方式，单个Ga₂O₃/GaN异质结器件即可实现AND、OR和XOR逻辑；进一步反转输出逻辑判定规则，还可获得对应的NAND、NOR和XNOR逻辑。

        第二种为“Voltage-to-Logic”模式。与直接利用LED开关状态不同，该模式进一步将254 nm和365 nm UV LED的驱动电压作为输入变量。利用两种波长对应的相反光电流极性，通过构建输出光电流的二维映射并选择不同的输入电压窗口，可实现NOR、NAND、OR、AND和XNOR等逻辑功能，并可通过改变逻辑区域的判定方式获得XOR功能。

        两种模式分别从光源开关状态和驱动电压窗口两个维度实现逻辑配置，使同一器件能够在无需改变器件结构的情况下完成多种逻辑功能，为紫外探测与逻辑处理的一体化提供了新的实现路径。

        ①自供电紫外探测与逻辑运算一体化：利用Ga₂O₃/GaN异质结内建电场，在零偏压条件下完成紫外光电转换和逻辑运算，无需额外外加偏压。

        ②以光电流极性反转作为逻辑编码机制：利用254 nm和365 nm紫外光激发下的波长依赖光电流极性反转，实现紫外光输入、载流子输运与逻辑输出之间的直接关联。

        ③单器件集成六种布尔逻辑功能：在单个Ga₂O₃/GaN异质结器件中实现AND、OR、NAND、NOR、XOR和XNOR六种典型逻辑功能，提升紫外光电逻辑的功能集成度。

        ④两种互补的可重构逻辑模式：提出“Switch-to-Logic”和“Voltage-to-Logic”两种工作模式，分别通过紫外LED开关状态和驱动电压窗口实现逻辑配置，为单器件多功能紫外光电逻辑提供了灵活的实现路径。

        本研究构建了一种基于Ga₂O₃/GaN异质结的自供电紫外光电探测器，并利用254 nm和365 nm紫外光激发下的光电流极性反转，实现了零偏压条件下的可重构紫外光电逻辑运算。

        研究揭示了不同紫外波长下光吸收区域与载流子输运机制的差异及其与光电流极性的关联，并以此作为紫外光信号逻辑编码的物理基础。进一步通过“Switch-to-Logic”和“Voltage-to-Logic”两种工作模式，在单器件中实现AND、OR、NAND、NOR、XOR和XNOR六种布尔逻辑功能，为低功耗、高集成度紫外感知与逻辑处理一体化器件提供了新的设计思路。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62274096）、江苏省优秀博士后人才资助计划（2025ZB868）以及中国博士后科学基金博士后国际交流计划引进项目（GZB20250149）的支持。

DOI:

doi.org/10.1063/5.0343859