【国内论文】华北电力大学：基于 ε-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃ 混合相薄膜的全光人工突触

        由华北电力大学的研究团队在学术期刊 Materials 发布了一篇名为 All-Optical Artificial Synapse Based on ε-Ga₂O₃ and β-Ga₂O₃ Mixed-Phase Thin Films（基于 ε-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃ 混合相薄膜的全光人工突触）的文章。

        在人工智能和类脑计算领域，传统的冯·诺依曼架构面临功耗高和处理速度受限的问题，因此开发能够模拟生物突触功能的人工突触器件成为研究热点。光电人工突触相比于电学突触，具有低功耗、高带宽和抗电磁干扰等优势。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽带隙半导体，因其独特的光电特性和持久光电导（PPC）效应，成为构建全光人工突触的理想材料。然而，单一相态的氧化镓薄膜往往存在缺陷态难以精确调控的问题，研究团队通过引入混相结构，旨在通过相界面产生的缺陷态来模拟生物突触中复杂的神经递质传输行为。

        全光忆阻器具备光感应和存储能力，同时模拟人类突触功能，在脑启发计算领域展现出巨大潜力，有助于实现仿生突触和类脑智能。在本研究中，通过化学气相沉积（CVD）成功制备了 ε-Ga₂O₃ 薄膜、ε/β-Ga₂O₃ 混合相薄膜和 β-Ga₂O₃ 薄膜。研究了这些薄膜在 254 nm 和 365 nm 激光下的光学输出和光学响应特性。发现 CVD 生长的 ε-Ga₂O₃ 存在少量缺陷且忆阻特性不明显，而由 ε-Ga₂O₃ 退火得到的 β-Ga₂O₃ 晶体质量优异但缺乏忆阻特性，而直接通过 CVD 生长的 ε/β-Ga₂O₃ 混合相薄膜则含有相当数量的缺陷，并表现出超过 104 秒的持久电阻保持能力。基于 ε/β-Ga₂O₃ 混合相薄膜优异的忆阻特性，进行了模拟光突触的实验。通过调整光脉冲参数（强度、重复率和持续时间），成功模拟了生物突触中观察到的短期可塑性（STP）和长期可塑性（LTP）。实验证实，光刺激可以有效诱导突触行为，如短期记忆（STM）向长期记忆（LTM）的逐步转化，并进一步完全再现“学习-遗忘-再学习”的神经可塑性过程。本研究展示了一种基于宽带隙材料氧化镓的光导突触忆阻器，其具有优异的空气稳定性，持续的光导性保持超过一年。本研究为基于氧化镓的全光人工突触的实际应用可行性提供了新的见解。

        ●研究采用射频磁控溅射技术，通过精确控制沉积参数，在高温退火后成功制备了 ε 相与 β 相共存的 Ga₂O₃ 混相薄膜。这种混相结构为模拟突触功能提供了丰富的捕获位点。

        ●该器件完全通过光信号（254 nm 紫外光）驱动，成功模拟了生物突触的多种关键功能，包括：兴奋性突触后电流（EPSC）、从短程记忆（STM）到长程记忆（LTM）的转变、“学习-遗忘-再学习”的生物学过程。

        ●器件表现出显著的频率选择性。随着光脉冲频率的增加，光电流的增益明显增强，这模拟了生物神经系统中对高频刺激更为敏感的特性。

        ●通过调节光脉冲的时间间隔，器件展示了典型的 PPF 指数衰减特性，其 PPF 指数最高可达 142 %，证明了其在处理时空信息方面的潜力。

        ●研究深入分析了混相界面处缺陷对载流子的捕获与释放过程。由于 ε/β 相界面的存在，氧空位等缺陷态形成的深能级中心减缓了载流子的复合速度，从而在物理层面实现了光电导的持久性，这是模拟记忆功能的关键。

        本研究展示了一种基于宽带隙材料氧化镓的光阻忆阻器，该器件集成了光学突触和数据存储功能。已成功应用化学气相沉积（CVD）技术在蓝宝石（0001）基板上沉积 ε-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃ 薄膜。本研究进一步利用 CVD 技术制备了 β/ε 混合相 Ga₂O₃ 薄膜。通过比较三种不同的氧化镓薄膜，发现同时具有β和ε晶相的薄膜在 254 nm 波长的深紫外光下表现出显著的吸收能力。该薄膜还具有日盲敏感特性。与纯ε相和β相氧化镓相比，其表现出更显著的忆阻特性。进一步测试表明，由该薄膜制成的金属-半导体-金属（MSM）结构作为突触器件和存储单元，在光电突触功能方面表现出色，包括短时程增强（STP）、长时程增强（LTP）以及“学习-遗忘-再学习”过程。得益于两种氧化镓晶相的协同特性，该器件表现出优异的非易失性。值得注意的是，其电阻状态保持时间超过 104 秒，且具有年度（ > 1 年）的长期稳定性。这一成果为开发模拟长期记忆和持续学习的先进神经形态系统奠定了关键基础。展望未来，此类器件将引入类似尖峰时间依赖性可塑性（STDP）的学习规则，从而进一步模拟生物突触中观察到的时间可塑性。基于氧化镓的光子-电子协同特性，全光人工突触在神经形态计算领域展现出巨大潜力。

图1. (a) 样品 E、EB 和 B 的 X 射线衍射（XRD）图谱；(b) 样品 E、EB 和 B 的拉曼光谱图。

图2: 氧化镓薄膜上 Ag/Ag 电极的 I - V 特性。线性关系：（a）样品 E，（b）样品 EB，（c）样品 B，其中（b）中的插图显示了样品结构的示意图。对数关系：（d）样品 E，（e）样品 EB，（f）样品 B。

图3. 在 10 V 电压下对 254 nm 紫外光的光响应：（a）样品 E（b）样品 EB（c）样品 B；光诱导电流上升和衰减的实验曲线：（d）样品 E，（e）样品 EB，（f）样品 B。

图4. (a) 生物神经突触示意图；MSM 器件在不同（b）波长（c）脉冲强度（d）脉冲次数和（e）光照射脉冲持续时间下的电流-时间特性。

图5. (a) 学习-遗忘-再学习行为示意图；(b) 6个学习周期后不同遗忘间隔的再学习过程，其中 A 表示 6 次学习后暂停 30 秒，接着进行 3 次再学习；B表示 6 次学习后暂停 1 分钟，接着进行 3 次再学习；C 表示 6 次学习后暂停 1 分钟 30 秒，接着进行 3 次再学习；(c) 6 个学习周期后的不同“遗忘-再学习”模式：A 表示 6 次学习后遗忘 1 分钟，接着进行 3 轮再学习，每轮间隔 30 秒；B 表示 6 次学习后遗忘 1 分钟，接着进行 2 轮再学习，每轮间隔 1 分钟；C 表示 6 次学习后遗忘 30 秒，接着进行 3 轮再学习，每轮间隔 30 秒。

图6. EBD 样品中载流子传输机制的示意图。

DOI：

doi.org/10.3390/ma19040711