【会员论文】J. Materiomics丨山东第一医科大学：室温可加工非晶 Ga₂O₃ 突触晶体管实现日盲紫外感知与低能耗神经形态功能

        由山东第一医科大学、齐鲁师范学院、山东大学、南方科技大学、英国‌曼彻斯特大学的研究团队在学术期刊 Journal of Materiomics 发布了一篇名为 Room-temperature processable amorphous Ga₂O₃ synaptic transistor for solar-blind ultraviolet perception（适用于日盲紫外线感知、可在室温下加工的非晶 Ga₂O₃ 突触晶体管）的文章。

        传统计算架构能效不足，神经形态计算应运而生。人工突触器件是神经形态系统的核心单元，可模拟学习记忆和信息处理等过程。纯电操作面临串扰和高功耗问题，光电突触则通过直接响应光信号为低能耗计算提供新路径。

        氧化镓（Ga₂O₃）禁带宽度约 4.9 eV，具有日盲紫外光高选择性响应，同时具备高击穿电场、优异热稳定性和抗辐射能力。晶态 Ga₂O₃ 器件性能优异，但高温结晶工艺制约了柔性可穿戴应用。

        非晶 Ga₂O₃（a-Ga₂O₃）可室温溅射制备，成本低且衬底兼容性好，是柔性电子的理想沟道材料。其氧空位缺陷态带来的持续光电导效应虽不利于快速响应，却天然适用于光电突触，可支持突触后电流的持久保持和光信号的时间累积。此外，Ga₂O₃ 的超宽禁带使其能抑制长波长干扰，确保日盲紫外特异性。

        目前，多数 Ga₂O₃ 突触器件局限于两端结构，而三端晶体管通过栅压可灵活调控沟道载流子传输，更具优势。然而，兼具日盲紫外选择性、室温可加工性、低能耗突触可塑性和栅极可编程操作的器件尚未见报道。

        基于氧化镓（Ga₂O₃）的光电突触在日盲神经形态感知方面具有广阔前景，但其实际应用目前受到能耗问题和晶态器件通常所需的高制备温度的制约。该团队开发了一种室温可加工的非晶 Ga₂O₃ 突触晶体管，可同时实现深紫外光电探测和光电突触可塑性。在 254 nm 光照下，该器件表现出 3.32×10⁷ 的光暗电流比（PDCR，Photo-to-Dark Current Ratio）、8.9×10³ A・W⁻¹ 的响应度（R，Responsivity）以及 1.96×10¹⁷ Jones 的探测率（D^*，Detectivity）。这些关键参数可与晶态 Ga₂O₃ 光电探测器相媲美。该晶体管进一步模拟了基本的突触行为，包括短期记忆（STM，Short-Term Memory）、长期记忆（LTM，Long-Term Memory）、双脉冲易化（PPF，Paired-Pulse Facilitation）以及学习-遗忘-再学习行为，同时具有每个脉冲仅 127.42 fJ 的超低能耗。得益于 a-Ga₂O₃ 固有的日盲响应和缺陷辅助的持续光电导，该器件能够实现分级紫外预警感知和敏化响应模拟。此外，该团队利用实验获得的突触动力学，在储备池计算（RC，Reservoir Computing）框架下验证了该器件在时间信息处理方面的潜力。该工作确立了室温非晶 Ga₂O₃ 作为低能耗日盲光电突触和仿生紫外感知的有前景平台。

        ①室温可加工的日盲紫外感知突触晶体管：该团队开发了一种室温可加工的非晶 Ga₂O₃ 突触晶体管，实现了日盲紫外感知功能，无需高温结晶工艺。

        ②优异的光电探测性能：该器件实现了 8.9×10³ A・W⁻¹ 的响应度和 3.32×10⁷ 的光暗电流比，关键参数可与晶态 Ga₂O₃ 器件相媲美。

        ③缺陷辅助的低能耗突触可塑性：通过缺陷辅助机制实现突触可塑性，每个脉冲的超低能耗仅为 127.42 fJ。

        ④分级紫外预警与储备池计算打鼾识别：该团队演示了分级紫外预警感知功能，并基于储备池计算框架实现了打鼾信号识别。

        综上所述，该团队展示了一种室温可加工的 a-Ga₂O₃ 突触晶体管，该器件将高性能日盲紫外光电探测与低能耗光电突触可塑性相结合。优化后的器件表现出 3.32×10⁷ 的光暗电流比（PDCR）、4.36×10⁶ % 的外量子效率（E_QE，External Quantum Efficiency）、8.9×10³ A・W⁻¹ 的响应度（R）以及 1.96×10¹⁷ Jones 的探测率（D^*）。由于 a-Ga₂O₃ 沟道的缺陷辅助持续光电导效应，该晶体管以每个尖峰仅 127.42 fJ 的超低能耗运行，同时成功模拟了短期记忆（STM）、长期记忆（LTM）、双脉冲易化（PPF）以及学习-遗忘-再学习等关键突触功能。此外，该器件实现了概念验证的紫外预警感知模型，并在与储备池计算（RC）方案集成时展现出时间信息处理的潜力。总体而言，所提出的 a-Ga₂O₃ 兼具室温可加工性、优异的光电特性和高能效神经形态功能。这凸显了缺陷工程作为同时增强突触能效和实现可扩展氧化物神经形态器件的有效途径，可用于下一代柔性和可穿戴智能传感系统。

        该工作部分得到山东省自然科学基金（批准号 ZR2024QE477、ZR2022ZD05）和国家重点研发计划（批准号 2022YFB3603900、2022YFA1405200）的资助。

图 1. a-Ga₂O₃ 突触晶体管的突触特性和工作机制。(a) 生物神经元和突触的示意图。(b) a-Ga₂O₃ 晶体管的电路连接示意图。(c) a-Ga₂O₃ 突触晶体管的电路图。(d) 光强为 220.2 μW・cm⁻² 时 Ga₂O₃ 突触晶体管的突触后电流（PSC）响应。(e) Ga₂O₃ 薄膜在暗态、光脉冲下和光脉冲后的能带结构。(f) Ga₂O₃ 突触晶体管中电离氧空位（Vₒ）中和的激活能（E_A）示意图。

图 2. 不同溅射功率对 Ga₂O₃ 薄膜结构、光学性质和化学态的影响。(a) 不同溅射功率下沉积的 Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射（XRD，X-Ray Diffraction）图谱。(b) 不同溅射功率下沉积的 Ga₂O₃ 薄膜的光学透射光谱。(c) (αhv)²-hv 曲线，插图显示光学带隙随溅射功率的变化。(d) lnα-hv 曲线，插图显示乌尔巴赫能量（Eᵤ，Urbach Energy）随溅射功率的变化。(e) 不同溅射功率下沉积的 Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s X 射线光电子能谱（XPS，X-ray Photoelectron Spectroscopy）。

图 3. 不同溅射功率对 a-Ga₂O₃ 器件光电探测性能的影响。(a) a-Ga₂O₃ 器件结构的示意图。插图显示 a-Ga₂O₃ 器件的截面扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope）图像。(b) 在暗态和光照下测量的 a-Ga₂O₃ 器件的转移特性。(c) 光暗电流比（PDCR）和外量子效率（E_QE）随溅射功率的变化。(d) 响应度（R）和探测率（D^*）随溅射功率的变化。(e) 归一化的时间依赖响应曲线。(f) 上升时间和衰减时间随溅射功率的变化。

图 4. 光刺激下 a-Ga₂O₃ 突触晶体管的神经形态特性和突触行为。(a) 人脑中的记忆-遗忘过程。(b) 光强为 220.2 μW・cm⁻² 时不同连续脉冲数下的突触后电流（PSC）响应。(c) ΔPSC 随脉冲数的变化（220.2 μW・cm⁻²，200 ms）。(d) 对应不同连续脉冲的归一化 PSC 衰减曲线（220.2 μW・cm⁻²）。(e) 间隔时间为 600 ms 的两个连续脉冲下的 PSC 响应（220.2 μW・cm⁻²，200 ms）。(f) 光强为 220.2 μW・cm⁻²、脉冲宽度为 200 ms 时双脉冲易化（PPF）指数随脉冲间隔时间的变化。(g) 学习-遗忘-再学习行为的模拟（220.2 μW・cm⁻²，200 ms）。(h) Ga₂O₃ 人工突触器件的制备温度和能耗比较。

图 5. 基于 a-Ga₂O₃ 突触晶体管的仿生日盲紫外预警感知。(a) 由紫外刺激强度、脉冲宽度和频率调制的突触响应和状态判定的示意图。(b) 脉冲宽度为 200 ms 时不同光强下的突触后电流（PSC）响应。(c) 光强为 220.2 μW・cm⁻² 时不同脉冲宽度下的 PSC 响应。(d) 不同脉冲频率下的 PSC 响应。(e) 正常状态和敏化状态下响应曲线的示意图比较。(f) 正常状态和敏化状态下不同光强的 PSC 响应。(g) 正常状态和敏化状态下 PSC 与光强的关系。

图 6. a-Ga₂O₃ 突触晶体管的打鼾识别能力。(a) 打鼾识别的示意图。(b) 4 位、16 种脉冲序列下的突触后电流（PSC）响应。(c) 区分打鼾和非打鼾信号的准确率曲线。(d) 数据集中 "1" 和 "0" 类别文件夹中打鼾和非打鼾信号的分类曲线。(e) 分类结果的混淆矩阵。(f) 使用主成分分析（PCA，Principal Component Analysis）的特征分布可视化。(g) 储备池计算（RC）框架与单层线性人工神经网络（ANN，Artificial Neural Network）基线之间分类准确率和参数数量的比较。

DOI： 

doi.org/10.1016/j.jmat.2026.101311