【国内论文】MTP丨江苏大学刘军林研究员、吕全江副教授团队：非晶 Ga₂O₃/Si 异质结：协同快速载流子提取与持久突触可塑性，用于日盲探测及类脑计算

        由江苏大学刘军林研究员、吕全江副教授团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为 Synergistic Fast Carrier Extraction and Persistent Synaptic Plasticity in an Amorphous Ga₂O₃/Si Heterojunction for Solar-Blind Photodetection and Neuromorphic Computing（非晶 Ga₂O₃/Si 异质结中的协同快速载流子提取和持久突触可塑性，用于日盲光探测和类脑计算）的文章。

        随着人工智能与边缘计算的快速发展，兼具光感知、信息存储与计算功能的光电突触器件逐渐成为神经形态视觉领域的重要研究方向。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种代表性的超宽禁带半导体材料，具有优异的日盲紫外选择性、化学稳定性和高击穿电场，在日盲紫外探测与类脑视觉系统中展现出良好的应用潜力。其中，非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）具有低温制备、大面积均匀沉积及衬底兼容性好等优势，其缺陷相关态还可能通过载流子俘获与释放产生持续光电导效应，为实现光电探测与突触记忆功能集成提供了材料基础。然而，a-Ga₂O₃ 本征载流子迁移率较低，限制了载流子的高效输运；同时，缺陷态引起的持续光电导虽有利于信息存储，却可能延长器件的响应时间，使快速光电响应与长时记忆难以兼顾。针对这一问题，构建 a-Ga₂O₃/Si 异质结，通过引入高迁移率 Si 输运通道并利用异质界面的载流子调控作用，有望改善载流子提取效率，同时保留缺陷相关态带来的光电记忆特性，为实现日盲紫外探测与神经形态视觉计算的协同集成提供新的研究思路。

        本文设计并制备了一种基于a-Ga₂O₃/Si异质结的日盲紫外光电探测器，并进一步探索其在类脑视觉计算中的应用。器件采用磁控溅射在 p 型 Si 衬底上沉积a-Ga₂O₃ 薄膜，并通过与蓝宝石衬底器件进行对比，展示了 Si 通道对载流子输运及光电探测性能的促进作用。测试结果表明，该异质结器件实现了 182 mA/W 的响应度和 1.39 × 10¹¹ Jones 的比探测率，上升响应时间为 18.7 ms，并表现出良好的日盲紫外选择性及环境稳定性。此外，器件在 254 nm 紫外光脉冲刺激下表现出兴奋性突触后电流（EPSC）、成对脉冲易化（PPF）、短时记忆向长时记忆转变，以及学习—遗忘—再学习等典型突触行为，体现了其对光刺激的动态响应与记忆能力。进一步地，研究将器件实测电导特征用于卷积神经网络（CNN）模拟，实现了 95.92% 的 MNIST 手写数字识别准确率，接近理想软件模型的 96.73%。上述结果表明，该 a-Ga₂O₃/Si 异质结实现了日盲紫外光探测与光电突触功能的集成，为面向神经形态视觉系统的感知与信息处理融合器件提供了新的研究思路。

        ① 提出载流子输运与存储协同的异质结设计策略： 将a-Ga₂O₃ 与高迁移率 Si 相结合，利用异质结促进载流子输运，同时发挥 Ga₂O₃ 缺陷态的载流子存储作用，为集成快速光探测与光电记忆功能提供新的器件设计思路。

        ② 载流子俘获–释放动力学与持续光电导机制解析：揭示异质结中载流子输运与 a-Ga₂O₃ 缺陷相关俘获–释放过程的协同关系，阐明持续光电导效应及其对光电突触记忆行为的影响，为理解器件的突触可塑性提供物理机制依据。

        ③ 日盲紫外探测与光电突触功能的一体化集成： 将日盲紫外光探测与类生物突触行为集成于同一 a-Ga₂O₃/Si 异质结器件中，实现光信号感知、载流子动态响应与类突触信息处理的功能融合，拓展其在神经形态视觉领域的应用潜力。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62374076）、江苏省创新创业项目（项目编号：JSSCTD202146）的资助。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102266