【国内论文】北京理工大学：用于先进电子与光电子学的混合维度氧化镓/二维材料异质结构

        在大数据时代，开发集传感、存储和计算于一体的高效信息处理系统至关重要。氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽带隙（4.8 - 5.4 eV）、高击穿场强（8 MV/cm）和优异的热化学稳定性，已成为下一代高功率电子器件和日盲紫外探测器的首选材料。然而，随着摩尔定律趋近极限，单一维度的材料在尺寸缩减和多功能集成方面面临挑战。二维材料（如石墨烯、过渡金属硫族化合物等）因其原子级厚度和独特的电学特性受到广泛关注。将 Ga₂O₃（通常为 3D 块体或薄膜）与 2D 材料结合构建混合维异质结，不仅能通过能带工程克服氧化镓 p 型掺杂困难等固有局限，还能赋予器件柔性、高透明度及感算一体等新兴功能，是突破传统电子器件性能瓶颈的关键路径。

        在当前大数据时代，开发集传感、存储、计算等功能于一体的先进光电器件，以满足信息处理系统对电子器件高能效、高性能和新兴功能的多样化需求，至关重要。氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽带隙（4.8 – 5.4 eV）、高击穿场强（8 MV cm^-1）和高介电常数等优势，在光电探测器、场效应晶体管和气体传感器等领域脱颖而出，成为下一代高功率器件的首选材料。为了克服摩尔时代晶体管性能的尺寸限制，二维（2D）材料因其原子厚度、无悬键和比表面积大等优势，在电子器件领域受到了广泛关注。本文对 Ga₂O₃/2D 异质结在光电器件中的生长、集成和应用进行了全面综述。本综述总结了其在逻辑功能晶体管、紫外探测器、存储器、光电子突触器件和柔性电子器件中的创新应用，旨在推动基于 Ga₂O₃ 的器件的实用化，并为多功能集成器件的开发提供新思路。

        ●重点阐述了混维异质结利用范德华力（van der Waals）集成的优势，避免了由于晶格失配引起的应力问题，从而在原子级平整界面上实现了高效的电荷传输与能带调控。

        ●综述了该类异质结在日盲紫外探测领域的应用，强调了其在实现超高响应度、超快开关比以及自供电功能方面的突破，特别是利用 2D 材料的高迁移率来增强光生电流的收集。

        ●展示了 Ga₂O₃ / 2D 材料在神经形态计算中的潜力。通过光电协同刺激，这些异质结能够精确模拟生物突触的权重调节，为构建低功耗、高集成的类脑视觉系统提供了可能。

        ●讨论了利用 2D 材料作为超薄沟道或接触层，如何有效降低 Ga₂O₃ 器件的接触电阻并提升栅极控制能力，从而改善功率开关器件的亚阈值摆幅和击穿特性。

        ●除了光电应用，文章还提到了该结构在气敏传感器和柔性电子领域的进展，利用 Ga₂O₃ 的化学活性与 2D 材料的柔韧性实现了高性能、可弯曲的多模态传感平台。

        基于 Ga₂O₃/2D 异质结构的器件开发有望解决硅基技术的局限性。通过在材料科学、微纳加工和计算科学等多个领域的深度合作，将推动下一代高效、多功能集成电子系统的发展。

        作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号 2023YFB3208002）、北京理工大学分析测试中心、北京理工大学启动基金以及中国教育部基础学科和交叉学科突破计划的支持。

图1. (a) Ga₂O₃/MoS₂ 场效应晶体管（FET）的示意图。(b) 当栅极电压在 1.4 至 0.6  V 范围内变化时，顶栅 FET 的输出曲线。(c) 当 V_ds 为 0.1 和 1 V 时，顶栅 FET 的转移曲线。插图：相应 FET 的光学显微镜图像。(d) 底栅 FET 的示意图。(e) 逻辑门的光学显微镜图像。(f) NAND、NOR、AND 和 XOR 门的等效电路图。

图2. (a) 展示了 WS₂/GaO_x MOSFETs 的制造过程示意图。(b) 当 V_BG 在 - 60 至 60 V 范围内变化时，器件的背栅输出特性曲线。(c) 当 V_ds 在 0.1 至 2  V 范围内变化时，器件的顶栅转移特性曲线和栅极漏电流特性曲线。(d) 顶栅器件的输出特性曲线。(e) 和 (f) 分别展示了 324 天后顶栅器件的转移特性和输出特性曲线。(g) 当 V_BG 在 10 至 16 V 范围内变化时，顶栅器件在双栅控制下的转移特性。器件实现(h) OR 和(i) AND 门逻辑运算功能的示意图。

图3. (a) MoS₂/b-Ga₂O₃ 光电探测器的示意图。(b) 这些器件在 245 nm 波长、20  uW cm^-2 照度下的 I – T 曲线。(c) 模拟的孤立 Ga₂O₃ 表面以及具有单层和三层 MoS₂ 的 MoS₂/b-Ga₂O₃ 范德华异质结的吸收情况。(d) 这些器件的模拟外量子效率(EQE)。(e) MoS₂/b-Ga₂O₃ 异质结的能带图示意图。(f) 2D/2D/b-Ga₂O₃ 异质结器件的示意图和能带图。放大区域为 Au/b-Ga₂O₃ 界面周围的电场分布和晶界(GB)周围的电子密度分布。

图4. (a) 石墨烯/β-Ga₂O₃ 异质结光电探测器的示意图。 (b) 在零偏压下，石墨烯与 β-Ga₂O₃ 在光照条件下的能带排列图。 (c) 器件在 1 – 1 V 偏压下的对数 I – V 特性。插图：器件的 I – V 曲线图。 (d) 器件在不同频率下的 C – V 图，以 1/C² – V 图表示。 (e) 器件的 I – T 曲线以及在零偏压、254 nm 波长和 1500 mW cm^-2 强度光照下单周期的放大图像。 (f) 器件在 150 mW cm^-2 光功率密度下的响应率。 (g) n的统计图。 (h) 器件的稳定性。 (i) 三个月内提取的响应率和比探测率。

图5. (a) MoS₂/b-Ga₂O₃/MLG FG 存储器件的示意图。(b) V_ds = 1 V 时，器件在不同双 V_bg 扫描范围内的转移特性。(c) 100 个不同幅度（宽度 = 0.1 s，间隔 = 0.1 s）的连续负电脉冲下的 PSC。(d) 100 个不同功率密度（宽度 = 0.2 s，间隔 = 0.1 s）的连续 254 nm 光脉冲下的 PSC。(e) 0 V 下，254 nm 和 405 nm 光照下，用于光学编程操作的 FG 存储器件的能带示意图。(f) 用于电编程、读取和擦除操作的 FG 存储器件的能带示意图。(g) MoS₂/b-Ga₂O₃/MLG FG 存储器件的基本电存储性能。（(i) 器件的存储电荷密度与 V_bg 扫描范围的关系。(ii) 当 P/E 电压为 ± 40 V 且 V_ds = 1 V 时，不同脉冲宽度下的切换率。(iii) 在脉冲宽度为 0.1 s 且 V_ds = 1 V 的条件下，不同 P/E 电压下的切换率。）(h) VGG - 8 神经网络的硬件实现示意图。橙色框中的每个 FG 存储器件单元可用于突触权重的存储和更新。(i) 20 个训练周期后的混淆矩阵。标签 A 到 J 代表不同的图像主题（A：飞机 ；B：汽车 ；C：鸟 ；D：猫 ；E：鹿 ；F：狗 ；G：青蛙 ；H：马 ；I：船 ；J：卡车）。

图6. (a) Ga₂O₃/MoS₂/ITO MMOM 的结构图。(b) MMOM 的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) MMOM 在 1000 个电压脉冲（电位化 + 0.3 V，去电位化 0.3 V）作用下的电导变化。(d) 在 365 nm 光照下，不同光脉冲的“学习-遗忘-再学习”过程。(e) 在(i)开灯和(ii)关灯状态下，Ga₂O₃/MoS₂ 异质结的载流子移动和能带排列情况。(f) 在 365 nm 光照下，光强分别为 3.290、2.113、1.052 和 0.391 mW cm^-² 的 16 × 16 阵列示意图。(g) 不同光强下 16 × 16 阵列的光电流响应图像映射。(h) 弛豫时间为 1、5、10、50 和 100 s 的 16 × 16 阵列图像映射。

图7. (a) Ga₂O₃/MoS₂ 器件的示意图。(b) 不同光功率下 532 nm 处的光电流和响应率。(c) 器件在 25 至 0 V 偏压下的转移特性曲线。(d) 不同 V_g 下 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结的能带图。(e) 模拟人脑视觉感知和信息传输的 Ga₂O₃/MoS₂ 器件示意图。(f) 器件的“学习-遗忘-再学习”训练过程。(g) 器件中用 25 V 单电脉冲和 0.435 uW 单光脉冲模拟巴甫洛夫条件反射。(h) 器件光电逻辑门的实现。

图8. (a) Ga₂O₃/MoS₂ 结型场效应晶体管（JFET）的扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) 器件的 I – V 曲线。插图为器件的电路形式。(c) Ga₂O₃/MoS₂ JFET 的转移特性。(d) Ga₂O₃/MoS₂ JFET 的输出曲线。(e) 在不同背栅电压下 Ga₂O₃/MoS₂ JFET 的转移特性。(f) 反相器和与非门（NAND gate）的示意图。顶栅和背栅被定义为逻辑器件的输入端（VIN）。(g) 反相器的电压转移特性。(h) 与非门的输出电压映射。(i) 用于手写数字识别的三层人工神经网络结构示意图。(j) 经过 1 次（i）和 200 次（ii）训练周期后，期望值与推断值之间的混淆矩阵。

图9. (a) Ga₂O₃ MW/MXene 光电探测器的制备过程示意图。(b) 器件在黑暗中和在254 nm 不同功率密度照射下的对数 I – V 特性。(c) 光电探测器在黑暗中和在 254 nm 不同功率密度照射下的 I – V 曲线。插图显示了光电探测器的开路电压（V_oc）。(d) 零偏压下紫外光照射下光电探测器的能带图。(e) 基于 Ga₂O₃ MW/MXene 的柔性光电探测器在不同弯曲角度（0°、60°、120° 和 180°）下的照片。(f) 零偏压下不同弯曲角度（功率密度为 0.53 mW cm^-²）的光电探测器的 I – T 曲线。(g) 器件在不同弯曲周期（弯曲角度 = 60°）下的光电流和暗电流。(h) 30 天后光电探测器的可靠性测试。

图10. Ga₂O₃/二维范德华异质结构器件面临的挑战包括大规模生长、接触、转移、集成等（上），这些挑战可应用于光电探测器、光电子存储器、光电子突触、逻辑计算等领域（下）。

DOI：

doi.org/10.1039/D5TC04478B