【国际论文】美国加利福尼亚大学圣迭戈分校顶刊发表：用于光学传感器内神经形态应用的无定形氧化镓光电晶体管人工视盲视网膜突触

        由美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究团队在学术期刊 ACS Nano 发布了一篇名为 Artificial Solar-Blind Optosynapses Using Amorphous Gallium Oxide Phototransistors for Optical In-Sensor Neuromorphic Applications（用于光学传感器内神经形态应用的无定形氧化镓光电晶体管人工视盲视网膜突触）的文章。

        ACS Nano 是一本专注于纳米科学和纳米技术研究的 SCI 期刊，收稿范围涵盖化学、材料科学、生物学、医学、物理和工程等领域的交叉研究。除了发表原创研究论文，ACS Nano 还接收综述和观点等类型文章。其为一区 Top 期刊，2024-2025 影响因子为16。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带等优异特性，在功率电子领域备受关注。由于 β-Ga₂O₃ 难以实现有效的 p 型掺杂，构筑 p-n 异质结是实现高性能双极型功率器件的关键途径之一。 其中，p 型 NiO 与 n 型 Ga₂O₃ 形成的异质结是一种极具前景的组合。然而，器件的性能，尤其是反向漏电流和击穿特性，对异质结界面的质量极为敏感。 干法刻蚀等器件制备工艺会在 Ga₂O₃ 表面引入损伤和缺陷，这些缺陷会形成界面陷阱态，导致漏电流增大、器件性能下降。虽然传统的高温退火可以修复部分损伤，但高温过程（通常 > 400 °C）容易与 p 型 NiO 层发生反应，破坏异质结界面，反而使性能恶化。因此，开发一种低温、高效的表面处理技术，以修复刻蚀损伤并优化界面，对于提升 p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结二极管的性能至关重要。

        仿生光电神经器件通过模拟人眼与脑神经系统功能，在实现高能效计算系统以支持新一代人工智能应用方面引发广泛关注。然而，该领域仍面临多重关键挑战：光诱导突触权重的动态范围受限、光电增益偏低、缺乏光谱选择性，且难以实现异构集成。解决这些问题对释放光突触器件在先进人工智能系统中的全部潜力至关重要。本研究采用超宽带隙非晶氧化镓（a-GaO_x）薄膜晶体管（TFT），开发出具有高模式识别率（>92%）的人工日盲光电突触器件，用于神经网络训练。该器件通过深紫外（DUV）光诱导的电位增强与栅极端电位衰减过程工作，展现出卓越的可塑性及宽导电权重更新范围。其优异性能源于：卓越的 TFT 开关特性、动态增益超 10⁸ 的强 DUV 光响应，以及持续超过 1000 秒的紫外触发持久光导效应（PPC）。此外，该器件可在 450℃ 低温下制备，确保与互补金属氧化物半导体（CMOS）后端工艺（BEOL）兼容。

        ● 首次将具有高 k 介质的光电晶体管结构用于构建 Ga₂O₃ 基人工光电突触，并巧妙利用其光栅控效应来优化突触性能。

        ● 明确揭示了界面空穴俘获所诱导的光栅控效应是实现高线性度和海量电导态的关键物理机制，为解决传统光电突触的性能瓶颈提供了全新思路。

        ● 在 Ga₂O₃ 基光电突触中实现了 1024 个可区分电导态，达到了该领域的顶尖水平，同时保持了极高的线性度。

        ● 通过在标准的图像识别任务中取得高准确率，有力地证明了该器件在构建实用化神经形态视觉系统中的巨大潜力。

        在本研究中，开发了一种采用超宽带隙 n 型非晶 a-GaO_x 沟道的日盲光感突触薄膜晶体管，用于光学在传感器神经形态应用。该器件展现出强烈的深紫外光响应特性，检测灵敏度达 > 10¹⁷ Jones，动态光电流增益 >10⁸，这归功于高性能 a-GaO_x 薄膜晶体管的高电子迁移率（20 cm²/V·s）及约 10⁸ 的巨大导通/截止电流比。该薄膜晶体管器件通过基于日盲紫外脉冲刺激的电位增强效应及栅极脉冲输入诱导的电致抑制效应，实现了光突触功能。其展现出宽广的可塑性与导电变化能力，兼具优异的可重复性及 >10³ 秒的长期保持特性。实验验证其对 8×8 和 28×28 像素图像均具备 >92% 的高模式识别精度。当前进展不仅显著推动了超宽栅极非晶氧化物半导体器件技术的发展，更为基于氧化物薄膜晶体管技术的下一代新型人工智能应用开辟了广阔前景。

图1. (a) 沉积态 GaO_x 薄膜的紫外-可见光吸收系数(α)光谱。插图为沉积态 GaO_x 薄膜照片，表明该薄膜对可见光具有光学透明性。(b) 间接带隙的 (αhν)^1/2−hν 图谱提取；(c) 直接带隙的 (αhν)²−hν 图谱提取。(d) 溅射沉积 GaO_x 薄膜的 GIXRD 衍射图谱；(e) 近 VBM 能带的 XPS 光谱。对应电子能带结构（含能级 E_C，E_F，E_V）作为 (e) 图插图呈现。(f) 暗态下反向错位 a-GaO_x 薄膜晶体管的转移特性与 (g) 输出特性。(h) 基于光学分析与 TCAD-TFT 模拟推导的 a-GaO_x 电子结构与缺陷结构示意图。

图2. (a) a-GaO_x 光电晶体管深紫外光响应测量及恢复过程示意图。(b) a-GaO_x 薄膜晶体管在 V_DS=20 V 条件下暗态与深紫外光（265 nm）照射下的转移曲线（I_DS-V_GS）。插图为测量装置示意图。(c) 光电流随 V_GS 变化曲线（I_ph−V_GS曲线）。对应的 (d) R 与 D* 值、(e) 量子效率 (EQE) 与光致损耗比 (PDCR) 随 V_GS 变化曲线。(f) 通过栅极端脉冲调制 （正向 V_GS 为+20 V，脉冲宽度 2 s）消除 a-GaO_x-TFTs 的正向偏置电流效应 (PPC) 的过程。(f) 插图展示线性坐标下传输特性曲线中的深紫外诱导PPC效应，其中红线与蓝线分别代表紫外光开启与关闭状态。(g) a-GaO_x 深紫外光电晶体性能总结：以器件迁移率为自变量，绘制探测率与 PDCR 曲线。

图3. (a−d) a-GaO_x-TFT 在 0.2、0.5、1.0 和 1.5 Hz 不同光脉冲频率下，以线性与对数刻度显示的日盲 DUV 光响应曲线。插图展示测量脉冲方案。(e) 不同次数深紫外光脉冲输入（1-6 次脉冲）下的保持特性，采用 0.2 Hz 方波。为便于比较，暗电流作为背景噪声显示。(f) 光响应对深紫外脉冲输入次数的依赖性，分别以线性（上）和对数（下）刻度显示。(g) 光脉冲频率与动态光电流振幅增益比（10⁸ 量级）及总转移DUV光能的关系曲线。(h) PPF 指数与间隔时间（Δt）的关系曲线。圆点和直线分别代表实验值与拟合曲线。插图展示连续两个光脉冲（脉冲宽度 1 s，Δt=2 s）激发产生的 ΔI_ph。(i) 通过正栅极脉冲实现 PPC 复位过程的器件电路图；(j) 通过正栅极脉冲输入将激发态复位至初始态时 I_DS 的变化。在 25V、-5V 和 -10V 三种 V_GS 值下记录了 I_DS 随时间变化曲线。插图展示正栅极脉冲施加方案。

图4. (a) 溅射沉积 GaO_x 薄膜的时间分辨光导衰减光谱。示意图展示了溅射沉积 GaO_x 薄膜晶体管在光突触操作过程中能带图的变化。(b) 暗态下施加负栅极偏压，(c) 深紫外光刺激下，(d) 通过PPC效应实现的保持过程，以及 (e) 暗态下通过正栅极脉冲实现的复位过程。

图5. (a) 采用 a-GaO_x-TFT 构建的人工光突触在日盲紫外脉冲刺激增强与电门控脉冲诱导抑制中的电导权重更新变化。(b) 用于模式识别模拟任务的三层神经网络，以及 (c) 模拟生物突触响应（含突触前、突触后及神经调质）。(d) 增强与 (e) 抑制神经网络训练任务中使用的 ΔG 与 G 概率分布。(f) 8×8 与 28×28 像素图像的模式识别准确率。(g) 神经网络混淆矩阵。所有正确分类结果位于矩阵对角线上。

DOI：

doi.org/10.1021/acsnano.5c06760