【国内论文】福州大学及闽都创新实验室团队系统综述氧化镓神经形态器件：揭示五大电导调制机制，探索类脑计算新路径

        由来自福州大学、闽都创新实验室的研究团队在学术期刊 Advanced Materials Technologies 发布了一篇名为 Conductance Modulation Mechanisms in Gallium Oxide-Based Neuromorphic Devices: From Device Physics to Intelligent Applications（基于氧化镓的神经形态器件中的电导调制机制：从器件物理到智能应用）的文章。

        传统冯・诺依曼架构存储器与处理器物理分离，数据交互产生巨大传输功耗与延迟，难以适配物联网、边缘 AI 低功耗、实时并行计算需求。类脑神经形态计算模拟生物突触与神经元工作模式，实现硬件存算一体，是解决冯・诺依曼瓶颈的关键方案，人工突触器件为核心硬件单元。

        现有有机、量子点、钙钛矿、二维、普通氧化物突触材料光电响应多集中近紫外 — 近红外，无法适配深空探测、高温工业、核辐射、日盲紫外探测等极端工况。

        Ga₂O₃ 属于超宽禁带半导体，禁带宽度 4.4–5.3 eV，拥有超高击穿电场、多晶相 (α, β, ε, γ, δ)、热稳定性优良、可精准掺杂等优势；本征日盲紫外响应、无可见光串扰，氧空位缺陷形成能低，易产生持久光电导 (PPC)，可模拟短期记忆 (STM)、长期记忆 (LTM)。通过掺杂改性、晶相调控、异质结复合，可拓展可见光、X 射线突触响应；同时 Ga₂O₃ 可实现缺陷调控、势垒调控、导电细丝、多模态耦合、栅压调控五类电导调控路径，适配光电、力电多刺激协同突触行为。

        当前各类 Ga₂O₃ 基突触器件研究分散，缺少以主导电导调制机制为分类标准，系统梳理器件物理、结构、突触功能与全场景应用的综述，本文填补该空白，完整梳理机理、器件架构、前沿应用与现存挑战。

        该综述系统调研了近年来氧化镓基神经形态器件的研究进展。作为超宽禁带半导体，Ga₂O₃ 具备可调控掺杂、极高击穿电场、多种多晶相以及优异的热稳定性。这些本征特性使 Ga₂O₃ 尤其适用于高温、强辐射、日盲深紫外条件下工作的神经形态器件。除环境稳定性外，Ga₂O₃ 还可支撑多样化电导调制机制，包括缺陷介导载流俘获、界面势垒工程、导电丝演化、多模态耦合与栅控沟道调制，从而为光、电或耦合外部刺激驱动的可编程突触提供多样化材料平台。本文从突触功能背后的电导调制机理出发，对 Ga₂O₃ 神经形态器件进行分类，系统总结其物理机制、结构设计与电导调控方案，突出 Ga₂O₃ 在神经形态计算、低功耗运行、光谱选择性传感方面的潜力，以及其在基础计算与信息安全、生物自适应反射机制、计算机视觉领域的广阔前景。最后总结 Ga₂O₃ 神经形态器件的研究进展与现存挑战，并指明材料掺杂、异质结集成、多模态融合、高密度阵列、能效优化等未来研究方向，以充分挖掘 Ga₂O₃ 在类脑计算与智能感知领域的应用潜力。

        ①首次以主导电导调制机制为唯一分类标准，将全部现有 Ga₂O₃ 基神经形态器件划分为缺陷调控型、界面势垒调控型、导电丝基型、多模态耦合型、栅控型五大类，统一梳理各类器件载流输运物理、典型器件结构、突触可塑性实现方案，解决过往综述分类混乱、机理混杂的问题。

        ②完整覆盖 Ga₂O₃ 全应用赛道，分为基础计算与信息安全、生物自适应反射模拟、计算机视觉三大板块，系统梳理逻辑运算、方程求解、信息加密、巴甫洛夫条件反射、伤害感受器、图像存储识别、医疗 CT 诊断、高压放电检测、机器人自主学习等前沿功能演示。

        ③横向对比 Ga₂O₃ 与钙钛矿、二维材料神经形态器件高温、辐照耐受性能，明确 Ga₂O₃ 在极端环境感知计算的独家综合优势（耐高温 + 抗辐射 + 日盲紫外选择性响应 + X 射线突触响应一体化）。

        ④系统剖析 Ga₂O₃ 产业化核心瓶颈（无稳定 p 型掺杂、晶圆器件均一性差、开关速度与保持特性难以兼顾、功耗偏高），提出近中期可行解决方案：p 型半导体异质集成、铁电 / 浮栅 / 电解质栅替代 p 型体材料、低温兼容制备工艺、缺陷能级精准调控、自供能体系优化。

        ⑤整理完整量化对比表格，汇总五大类器件结构、调制机理、突触功能、响应波段、功耗、LTP/LTD 实现方式与对应文献，为后续器件选型与机理研究提供标准化参考。

        得益于多样化器件结构与独特材料特性，氧化镓在神经电子学领域具备极高研究价值。凭借超宽禁带与稳定晶体结构，Ga₂O₃ 基突触器件可在高温、强辐射等传统材料失效的极端环境下稳定工作。大量研究表明，Ga₂O₃ 人工突触不仅可实现高速低阻变存储与模拟计算，还具备光谱选择性感知能力，可在单器件内集成感知与计算功能。该特性对物联网边缘节点、新一代智能视觉系统极具价值，传感器可直接完成前端预处理，大幅降低后端运算与数据传输开销。尤其面向航空航天、核探测场景，Ga₂O₃ 耐高温、抗辐照特性使其成为极端环境类脑自主学习系统优选材料。

        但现阶段 Ga₂O₃ 基神经形态器件研究仍处于概念验证阶段，距离实际落地存在多项核心技术难题。首先，缺少可靠 p 型掺杂限制 CMOS 兼容电路与互补突触器件实现，现有替代方案（异质结、电解质栅）提升器件复杂度，阻碍大规模集成。其次，晶圆级器件均一性、阵列串扰、寄生效应难以抑制，高密度交叉阵列、三维集成工艺有待突破，同时多数器件依赖深能级缺陷实现缓慢电导衰减，牺牲开关速度，未来需平衡响应速度与非易失存储能力。最后，低功耗始终是神经计算核心目标，依托 Ga₂O₃ 超宽禁带可降低静态功耗，还需结合自供能、能量收集方案、降低工作电压电流，将单次突触更新能耗降至飞焦级别。

        展望未来，Ga₂O₃ 神经形态器件有望在高光谱视觉芯片、航天高温人工智能、自主微型机器人三大前沿方向实现突破。通过材料掺杂、异质集成、多模态融合、高密度阵列、能效优化持续推进，Ga₂O₃ 有望与氧化物、二维材料协同构建类生物硬件体系。伴随制备工艺迭代，多感知融合、大容量存算阵列、超低功耗突触硬件将逐步落地，面向极端环境智能感知、硅基电路兼容集成、生物传感融合等方向打开全新研究赛道。在学术界与工业界协同攻关下，Ga₂O₃ 神经形态电子有望大幅推进人工脑硬件产业化进程。

        本研究受国家科技重大专项（2025ZD0616200）、国家重点研发计划（2022YFB3606603）、福建省光电信息科技创新实验室专项（2020ZZ111、2020ZZ113、2021ZZ130）资助。

图 1 Ga₂O₃ 基神经形态器件主要电导调制机制与应用场景

图 2 (a) 顶部 W 电极施加正负偏压下 Ti/GaOₓ 器件界面氧空位交换示意图；(b) β-Ga₂O₃ 持久光电导 (PPC) 原理示意图；(c) In、Sn 共掺杂 Ga₂O₃ 中缺陷对载流复合的影响

图 3 (a) 避光、弱光照、强光照、电擦除四种状态下 ITO/Au 纳米颗粒/非晶 Ga₂O₃/Pt 器件能带示意图；(b) 级联 GTO/Al/HfOₓ 异质结能带图，展示 II 型异质结与 Al/HfOₓ 肖特基势垒调控的载流输运机理；(c) 沟槽桥接背靠背 GaN/Ga₂O₃/GaN 双异质结器件初始态、高偏压、低偏压下能带示意图

图 4 (a) Ag/Ga₂O₃/Pt 忆阻器阻变机理；(b) Pt/Ga₂O₃ 忆阻器高阻态、低阻态导电丝通道示意图；(c) 两端 Pt/Ga₂O₃/Pt 器件上下电极间载流输运与三端 Pt/Ga₂O₃/Pt 器件正负栅压调控载流示意图；(d) 共晶镓铟合金/GaOₓ/MXene/n⁺-Si 器件截面与电路示意图；(e) MXene 基双层忆阻器件垂直、横向结构 I-V 特性曲线

图 5 (a) 无应变、压应变、拉应变条件下 a-Ga₂O₃/ZnO 异质结能带图；(b) 无应变、拉应变、压应变下 a-GaOₓ/ZnO 异质结纳米线能带图；(c) Ga₂O₃/GaN 纳米线器件首次 255 nm 光照、避光、二次 255 nm 光照下能带图；(d) 385 nm 紫外、首次 255 nm 紫外、二次 255 nm 紫外激发下 InGaO 纳米线突触器件能带图

图 6 (a) 小正脉冲、大正脉冲、负脉冲下 Na 掺杂 Ga₂O₃ 电解质栅突触晶体管 Na⁺ 迁移示意图；(b) 正负栅压下 IGZO/Al₂O₃/Ga₂O₃ 晶体管能带图；(c) VG>0、VG<0 条件下 SiO₂/β-Ga₂O₃ 能带图；(d) 455 nm、245 nm 光照下 a-Si:H/a-Ga₂O₃ 光电晶体管全光工作能带图；(e) 正负栅压脉冲下全电学模式能带图

图 7 (a) 两路独立深紫外脉冲输入实现与、或逻辑运算；(b) 双路 270 nm 紫外输入，通过偏振角与偏压调控实现与、或、与非、或非逻辑；(c) 电压极性与 254 nm 光信号切换实现与/或逻辑；(d) 光信号与栅压双输入构建与门；(e) 255 nm 预光照+两路 370 nm 紫外脉冲实现与、或、或非、与非逻辑

图 8 (a) 利用 a-Ga₂O₃ 光电突触阵列可调遗忘特性求解方程组；(b) 级联 GTO/Al/HfOₓ 异质结突触器件实现加减乘除四则运算

图 9 (a) GaOₓ 日盲紫外突触阵列各像素不同光脉冲数量编码鸭子图案；(b) 3×4 像素突触阵列构建时序密码锁；(c) 基于 β-Ga₂O₃ 单晶突触偏振依赖后突触电流实现文字 “ZSTU” 二进制加解密；(d) 结合光强与偏振角构建数字密码

图 10 (a) 275 nm 光为非条件刺激、365 nm 光为中性脉冲实现全光巴甫洛夫条件反射；(b) 532 nm 光为非条件刺激、栅压脉冲为中性刺激实现光电混合巴甫洛夫条件反射

图 11 (a) a-GaOₓ/ZnO 异质结器件通过光强与脉宽调控伤害感受器阈值特性；(b) 预刺激强度与脉冲间隔调控敏化、脱敏行为；(c) 递增光强与损伤后刺激模拟无适应性、异常痛、痛觉过敏；(d) TiN/GaOₓ/Pt 忆阻器通过电脉冲幅值、脉宽实现阈值特性；(e) 连续电脉冲下无适应性响应；(f) 高幅值损伤脉冲诱导异常痛与痛觉过敏现象

DOI ： 

10.1002/admt.71146