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【国内论文】中科大龙世兵教授联合国防科技大学团队：基于极化诱导载流子分离策略的硅基UWBG Ga₂O₃/AlN DUV光电晶体管，用于传感器内存储与计算
日期：2026-06-11阅读：83
由中国科学技术大学龙世兵教授、徐光伟研究员、周选择副研究员联合国防科技大学的研究团队在学术会议 2025 IEEE International Electron Devices Meeting 发布了一篇名为 UWBG Ga₂O₃/AlN DUV Phototransistors on Si Platform for In-sensor Memory and Computing based on Polarization-Induced Carrier Separation（基于极化诱导载流子分离策略的硅基 UWBG Ga₂O₃/AlN DUV 光电晶体管，用于传感器内存储与计算）的文章。
背景
深紫外光电探测技术在火焰火情监测、深空天文探测、环境臭氧监测等诸多关键工业与航天领域有着不可替代的实用价值，超宽禁带 Ga₂O₃ 材料天然匹配日盲光谱波段，凭借禁带宽度大、击穿场强高等优良物性，成为新一代深紫外光电功能材料的核心候选。传统智能光电系统普遍采用探测器、存储芯片、运算芯片分立搭建的硬件架构，系统布线繁琐、整机功耗偏高，信号跨模块传输带来较大延时，难以满足微型化、低功耗前沿智能传感的发展需求。现阶段已报道的 Ga₂O₃ 基光电器件大多功能单一，仅能单独实现光电探测或者短时突触运算，很难在同一芯片上同步集成长时非易失存储功能；各类异质结器件缺少依托界面极化效应统筹调控长短两种存储行为的成熟方案，且多数工艺无法兼容成熟硅基量产线，制约器件产业化落地，相关一体化器件设计方向存在明显研究空白。
主要内容
该团队面向商用衬底单片集成传感、存储、计算一体化器件的发展需求，研制出具备 275 A/W 高深紫外响应度的超宽禁带 Ga₂O₃/AlN/Si 晶体管（GAST），可同时实现片上存储与片上计算。铝极性 AlN 的极化效应能够耗尽 Ga₂O₃ 沟道，并在 Ga₂O₃/AlN 界面实现空穴非易失俘获，使器件拥有 0.26 pA 超低漏电流与多级长时存储能力。依托 Ga₂O₃ 体内陷阱调控的持久光电导效应，器件可形成短时存储并充当物理储备池实现类突触运算。基于该一体化器件搭建的物理储备池计算系统在运动方向识别任务中识别精度可达 96.75%，该研究证实硅基极化调控超宽禁带晶体管在高端片上存算领域具备巨大应用潜力。
创新点
•首次基于 AlN 界面极化诱导载流子分离策略，在硅基衬底制备兼具探测、长时存储、短时突触计算三合一 Ga₂O₃/AlN 深紫外晶体管。
•利用界面空穴俘获实现非易失多级存储，依靠 Ga₂O₃ 体陷阱带来持久光电导实现可调短时突触特性。
•器件漏电流低至 0.26 pA，深紫外响应度可达 275 A/W，存储窗口约 10 V。
•基于该器件搭建储备池计算系统，运动方向识别准确率达到 96.75%。
结论
该团队依托极化诱导载流子分离策略制备得到响应度为 275 A/W 的 GAST 器件，对比已报道单一功能器件，该器件可在成熟硅工艺上实现探测、存储、运算一体化，同时拥有 0.26 pA 的超低漏电流。利用该器件搭建的物理储备池计算系统在运动方向识别任务中实现 96.75% 的识别精度。该研究证明极化调控型超宽禁带晶体管在智能片上存算光电系统中具备广阔应用前景。
项目支持
本课题部分研究在中国科学技术微纳加工与测试中心完成，受国家重点研发计划（2024YFA1208800）资助。
图 1 (a) 具备感知、处理、存储一体化的生物神经元突触连接结构；(b) GAST 器件依托短时存储实现突触易化效应、依托长时存储实现多级存储，可有效模拟生物神经元功能。
图 2 硅基 GAST 器件阵列与结构示意图，Ga₂O₃ 作为光敏层、铝极性 AlN 作为介质层，图右侧为完整制备工艺流程。
图 3 (a) Ga₂O₃/AlN/Si 堆叠结构截面 SEM 图；(b) 各功能层 XRD 图谱，(001) 取向 ε-Ga₂O₃ 与 AlN 薄膜在 (111) 硅衬底上高纯度外延生长。
图 4 (a) AlN/Si 上 ε-Ga₂O₃ 深度依赖价带谱，价带最大值随深度增加逐步上移；(b) Ga₂O₃/AlN 界面 Al 极化方向，同时标注 Ga₂O₃ 中作为空穴陷阱的大量氧空位。
图 5 (a) Sentaurus 仿真得到无 / 有 Al 极化的 Ga₂O₃/SiO₂/Si、Ga₂O₃/AlN/Si 电子浓度分布；(b) 三种结构深度方向电子密度对比，铝极性 AlN 可显著耗尽 Ga₂O₃ 沟道载流子。
图 6 不同光功率下 GAST 器件深紫外光电响应曲线（上图）与对应响应度曲线（下图），器件响应度在 275~140 A/W 区间变化。
图 7 GAST 器件片上存储特性，开关态转移曲线形成约 10 V 的存储窗口，存储窗口由阈值电压差值确定。
图 8 完整写 / 读 / 擦 / 读周期的漏电流变化曲线，图上方标注各阶段偏置条件，无偏置写入时的正向光脉冲证明内建电场存在。
图 9 器件不同工作阶段能带与载流子动力学示意图：(a) 写入阶段极化电场分离光生载流子、空穴被界面俘获；(b) 内建电场抑制复合实现电荷存储；(c) 擦除栅压诱导电子聚集、加速载流子复合。
图 10 GAST 器件存储耐久特性，经过 2000 次写擦循环后开关态电流保持稳定，器件可靠性优异。
DOI：
doi.org/10.1109/IEDM50572.2025.11353611
