【国际论文】InfoMat丨韩国首尔国立大学：通过畴工程氧化镓光电晶体管实现动态栅控的智能紫外感知

        由韩国首尔国立大学的研究团队在学术期刊 InfoMat 发布了一篇名为 Domain engineered gallium oxide phototransistors enabling intelligent ultraviolet vision with dynamic gating（通过畴工程氧化镓光电晶体管实现动态栅控的智能紫外感知）的文章。

        InfoMat 是一本聚焦材料科学前沿研究的国际学术期刊，由 Wiley 出版，面向新材料与交叉领域的原创研究成果。期刊涵盖无机与有机材料、功能材料、纳米材料、能源与电子材料等多个方向，注重材料结构、性质与性能之间关系的系统阐释，强调机制层面的理解与创新性设计。InfoMat 鼓励实验、理论计算与多尺度表征相结合的研究工作。该刊被 Web of Science 核心合集（SCIE） 收录，在材料科学综合类别中属于 Q1 区 期刊。根据最新数据，其影响因子约为 22.3 左右，在材料科学领域具有较高的学术可见度和影响力。

        随着机器视觉的发展，图像获取与识别对实时性和能效提出了更高要求，但传统冯·诺依曼架构中传感、存储与计算的物理分离导致高功耗和高延迟，尤其难以满足边缘场景下“感知—计算同步”的需求。为此，将感知与计算融合的类脑图像传感器受到广泛关注，其核心在于通过器件层面实现在传感端的预处理与信息压缩，从而提升速度并降低能耗。在类脑视觉系统中，高选择性、高信噪比的光电探测是关键基础。深紫外（DUV）太阳盲探测能够有效避免可见光与环境光干扰，天然具备高信噪比，因此成为高带宽、复杂光照环境下类脑视觉的重要感知手段。β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，因其宽禁带、高击穿场强、强 DUV 吸收能力和良好的热稳定性，被认为是实现太阳盲光电探测的理想材料。然而，β-Ga₂O₃ 受限于低载流子迁移率、深能级陷阱以及外延生长中产生的晶畴结构，这些因素会引发严重的载流子散射和持久光电导效应（PPC），从而削弱器件的响应速度和稳定性。已有研究多从电路层面通过栅极脉冲等方式抑制 PPC，但这种方法无法从根本上解决材料缺陷带来的输运瓶颈，且往往增加系统复杂度与功耗。因此，亟需一种从材料结构源头入手，并与器件/电路协同优化的解决方案，以同时提升 β-Ga₂O₃ 光电器件的载流子输运性能、响应速度和低功耗特性，为深紫外类脑视觉与低功耗感知系统提供可行的技术基础。

        晶畴诱导的载流子散射以及持续光电导效应（PPC）仍然是 β-Ga₂O₃ 基深紫外（DUV）光电探测器面临的关键瓶颈，严重限制了其在高速成像、光通信和类脑感知系统中的应用。针对这一问题，本文提出了一种材料–电路协同设计策略，将晶体学畴工程与脉冲栅极调制相结合，以系统性地突破上述限制。通过在 6° 偏轴蓝宝石衬底上外延生长 Si 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜，利用原子台阶边缘诱导形成单畴取向结构，相较于正轴衬底器件，显著改善了横向载流子输运并降低了漏电流。在相同的脉冲工作条件下，单畴器件表现出快于以往报道的 β-Ga₂O₃ 光晶体管的恢复速度，清晰表明晶畴工程优化的载流子输运与动态栅极调制之间存在协同增强效应。基于此，器件在复位条件下实现了 9.17 × 10¹⁵ Jones 的高探测率（D*）和 0.7 ms 的快速光响应，同时在亚伏级偏压下保持稳定且高能效的工作状态。进一步地，优化后的光晶体管被集成到 24 × 24 有源像素阵列中，用于系统级深紫外成像验证。结合卷积神经网络（CNN），该阵列实现了高准确度的图案识别与图像重构，同时通过突触抑制行为与主动复位过程，实现了快速的残影消除与图像恢复。总体而言，本研究构建了一种晶畴工程与脉冲调制协同的 β-Ga₂O₃ 光晶体管平台，在材料、器件与系统层面实现了统一创新，为面向智能紫外视觉的可扩展、低功耗技术路线提供了有力支撑。

        1、提出一种材料–电路协同设计策略，将晶体学畴工程与脉冲栅极调制相结合，从根源上缓解 β-Ga₂O₃ 器件中的载流子散射与持续光电导效应（PPC）问题。

        2、通过在 6° 偏轴蓝宝石衬底上外延生长 Si 掺杂 β-Ga₂O₃，实现单畴取向调控，显著提升横向载流子输运能力并降低漏电流。

        3、证实单畴结构与动态栅极调制之间的协同作用可有效加速载流子复合，在相同脉冲条件下实现优于已有 β-Ga₂O₃ 光晶体管的恢复速度。

        4、在亚伏级工作条件下，实现高探测率（9.17 × 10¹⁵ Jones）与毫秒级快速响应（0.7 ms）的深紫外光探测性能，兼顾能效与稳定性。

        5、构建并验证 24 × 24 有源像素阵列，结合神经网络实现深紫外图像识别与快速残影消除，展示了面向低功耗类脑视觉系统的可扩展性。

        在本研究中提出了一种材料层面与电路层面相结合的协同策略，用于解决 β-Ga₂O₃ 基深紫外（DUV）光晶体管中长期存在的两个关键瓶颈问题：晶体畴引起的载流子散射以及持续光电导效应（PPC）。通过在偏轴蓝宝石衬底上进行外延生长，有效抑制了旋转畴边界的形成，从而相比传统正轴衬底显著提升了横向载流子输运能力，并降低了漏电流。同时，引入栅极脉冲调制加速了载流子复合过程，有效抑制了 PPC，实现了亚毫秒级的快速响应。在器件层面优化的基础上，将该光晶体管集成至 24 × 24 有源像素阵列中，在序列光照条件下实现了高对比度的深紫外成像以及基于卷积神经网络（CNN）的高精度图像识别。除实现 9.17 × 10¹⁵ Jones 的高探测率（D*）和 0.7 ms 的响应时间外，本研究进一步表明，晶体畴工程与动态栅极调制的协同作用为可扩展、智能化的超宽禁带（UWBG）光电子器件提供了一种有效框架，为实时类脑紫外视觉奠定了实用基础。值得注意的是，突触抑制行为使器件在亚伏级工作条件下仍可实现清晰的图像重构，进一步验证了其在低功耗类脑感知系统中的可行性。此外，复位功能与残余抑制功能的共存凸显了畴工程 β-Ga₂O₃ 光晶体管的自适应特性，使其能够根据系统需求，在快速复位模式（用于快速恢复）与残余抑制模式（用于高能效识别）之间灵活切换。在此基础上，进一步探索了动态栅极调控在阵列级紧凑集成中的扩展方式，提出了一种双极性光栅脉冲驱动方案。得益于畴工程 β-Ga₂O₃ 的宽禁带特性及其高度绝缘本征属性，即使在不引入辅助开关晶体管的情况下，光生电流（Iph）仍可被有效调制，体现出一种材料本征驱动的优势，从而实现稳定的开关控制并简化电路设计。正负脉冲的交替施加有效稳定了 Iph 的动态行为，其中正脉冲用于抑制 PPC，负脉冲则通过电流调制实现像素的选择性访问，在集成密度、能效以及工艺可扩展性方面均展现出明显优势。

        综上所述，本研究充分展示了材料设计与电路设计协同优化的价值，不仅将 β-Ga₂O₃ 光晶体管确立为高性能深紫外探测器，也使其成为类脑感知系统中的多功能基础单元。整体而言，本工作确立了畴工程、脉冲驱动 β-Ga₂O₃ 光晶体管作为一种可扩展、低能耗的下一代紫外视觉平台，为其在多功能类脑与光电子系统中的集成应用铺平了道路。

图 1 具有可控晶体畴取向的 Si:Ga₂O₃ 光晶体管在有源像素光晶体管阵列中的可扩展集成。(A) 24 × 24 有源像素光晶体管阵列的光学显微图（上）及其对应的电路示意图（下），阵列共包含 576 个像素。每个像素由一个光晶体管和一个开关晶体管组成，并分别通过独立的 V_dd、V_ss、V_g,p 和 V_g,s 电压线进行寻址控制。(B) 单个像素的放大光学显微图（左）以及两种晶体管的垂直堆叠结构示意图（右）。其中，光晶体管采用透明栅极电极以实现深紫外（DUV）入射，而开关晶体管采用不透明栅极以阻挡光照。(C) 正轴与偏轴蓝宝石衬底上晶体畴形成机制的示意图。对称的正轴表面易诱导旋转畴的形成，其畴界会阻碍载流子输运；而具有原子台阶的偏轴表面则有利于单一晶体畴取向的形成，从而提升载流子迁移率。

图 2 通过偏轴蓝宝石衬底实现 Si:Ga₂O₃ 薄膜的结构调控。(A) 正轴蓝宝石衬底（表面平整）与 6° 偏轴蓝宝石衬底（具有台阶形貌）上晶体畴生长的示意图。在薄膜生长过程中，6° 偏轴衬底通过其表面台阶结构对晶体畴的生长方向形成约束。(B) φ 扫描测试结果显示，6° 偏轴衬底对应的衍射峰呈现单一且清晰的取向峰，表明实现了受控的晶体畴取向排列。(C) 薄膜生长取向的截面示意图，说明统一的单畴结构相比多畴生长可获得更为平整的表面形貌。(D) 截面 TEM 图像显示，与正轴衬底相比，6° 偏轴蓝宝石衬底上生长的 Si:Ga₂O₃ 薄膜沿台阶方向呈现单晶生长特征，并表现出更加平整的表面。(E) AFM 图像展示了薄膜生长过程中的表面形貌演化，结果表明偏轴衬底能够有效维持较低的表面粗糙度。

图 3 光晶体管的表征与性能分析。(A) 光照电流 P_light、(B) 响应度 R 以及 (C) 探测率 D⁎ 随光栅极电压 V_g,p和入射光功率密度 P_light 的变化关系。(D) 在 P_light = 110 μW cm^-2 条件下，D⁎ 随 V_g,p 的变化关系，结果表明当光栅极效应显著且暗电流 I_dark 最小化时，D⁎ 达到最大值。(E) 单畴光晶体管在不同 P_light 条件下的时间分辨 P_light 测试结果，显示其对 DUV 照射具有高度稳定且可重复的光响应行为。(F) Si:Ga₂O₃ 多畴与单畴光晶体管中阈值电压漂移 ΔV_th 随 P_light 的变化关系。(G) 单畴与多畴光晶体管的 D⁎ 对比结果，显示单畴器件始终表现出更优的探测性能。(H) 响应度 R 随 DUV 波长的变化关系，其中单畴器件相较多畴器件表现出显著更高的光响应效率，并在 254 nm 处呈现明显的峰值响应。(I) 单畴与多畴 Si:Ga₂O₃ 器件在脉冲漏极偏压条件下的时间分辨电流响应。(J) 归一化时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线，用于表征与缺陷密度相关的载流子动力学行为。

图 4 通过 V_g,p 脉冲有效消除光晶体管中的持续光电导（PPC）。 (A) 实验示意图，展示 PPC 消除过程，包括 DUV 脉冲照射、V_g,p 脉冲施加及 l_light 测量流程，同时给出了通过对光栅极施加电脉冲实现 PPC 消除机制的能带示意图。V_g,p 脉冲诱导电子积累，从而有效抑制 PPC。(B) V_g,p 脉冲对 PPC 消除效果的影响。上图为未施加栅极脉冲时器件在 DUV 脉冲照射下的 l_light 响应；下图显示在相同条件下施加正向 V_g,p 脉冲后，PPC 被有效抑制。(C) 响应衰减时间随 V_g,p 脉冲宽度变化的关系。(D) 光探测器在探测率 D⁎ 与响应时间方面的性能对比。PPC 消除机制使器件在实现更短响应时间的同时获得更高的 D⁎，相比传统光传感器表现出明显优势。

图 5 在连续 DUV 照射条件下，利用 V_g,p 诱导的 PPC 消除实现的模式识别。(A) 在四种工作模式（I–IV）下的时间分辨 I_light 测量结果，展示了 DUV 照射与开关晶体管调制各自及协同作用下的响应行为。(B) 准并行读出方案示意图：左图为通过 V_g,p 脉冲调制实现的按行感知与复位过程，右图显示在复位过程中施加 V_g,p 脉冲后，残余光电流 I_ph 得到有效抑制。(C) 在连续 DUV 照射条件下，主动像素光晶体管阵列对数字序列（0–9）进行逐次识别的工作示意。(D) 连续 DUV 照射下，各轮识别过程对应的终端电流分布图，表明复位过程能够有效消除不同数字类别之间的残余“后像”效应。(E) 在顺序数字输入条件下，有无复位过程时的识别性能对比混淆矩阵。(F) 在每轮数字识别过程中施加 0–3 次 V_g,p 复位脉冲时的识别准确率变化，结果表明在缺乏复位时识别精度收敛明显延迟，而引入复位脉冲后准确率显著提升。(G) 在相邻数字之间施加不同次数复位脉冲条件下，数字呈现初始阶段的电流分布演化过程。

图 6 光晶体管的突触特性及其在低光照、强噪声和遮光条件下的低能耗模式识别性能。

(A)   通过开关晶体管调制光电流 I_ph 的示意图。左侧为所施加的 V_g,s1 与 V_g,s2 电压波形，右侧显示在施加 ±500 mV、10 ms 的 V_g,s脉冲后，由两个开关晶体管共同调控产生的三种不同电流水平。并展示了光晶体管的增强（potentiation）特性。(B) 兴奋性突触后电流随脉冲宽度变化的关系，(C) 随脉冲数增加的 I_light 响应，(D) 成对脉冲易化（PPF）曲线。(E) 光晶体管的抑制（depression）特性。左图为通过脉冲幅值调制实现的电流抑制映射，右图为通过脉冲间隔调制实现的抑制映射。(F) 电导调制曲线，展示了光增强与电抑制协同作用下的突触行为。(G) 主动像素光晶体管阵列在数字识别中的工作示意，体现类突触感知特性。即使在存在噪声和遮光的 DUV 输入条件下，仍可重建清晰的数字图像。(H) 在顺序 DUV 照射数字序列 5–5–3–3–5–5 条件下的识别准确率及对应电流分布图。对电流最高的前 15% 像素施加抑制型 V_g,p 脉冲。(I) 第三轮测试中数字 “3” 在不同抑制像素比例下的识别性能。残余抑制（residual-depression）策略表现出更高的效率，即使仅对 5% 的像素施加抑制，也能实现更清晰的识别效果。

DOI：

doi.org/10.1002/inf2.70112