大连理工大学梁红伟教授、常玉春教授团队：通过提高晶体质量增强 β-Ga₂O₃ 薄膜的光电突触可塑性

由大连理工大学梁红伟教授、常玉春教授研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Enhancing the photoelectric synaptic plasticity of β-Ga₂O₃ films via improving crystalline quality（通过提高晶体质量增强 β-Ga₂O₃ 薄膜的光电突触可塑性）的文章。

1. 项目支持

该研究受到辽宁省自然科学基金联合基金（博士科研启动项目）（Grant Number ：2023-BSBA-028）、中央高校基本科研业务费（Grant Number ：DUT24BS008）、广东省基础与应用基础研究基金（Grant Number ：2023A1515110064）、国家重点研发计划（Grant Number ：2023YFB4503003）、国家自然科学基金（Grant Number ：62304030和62104024）、2022 年工业强基工程与制造业高质量发展专项（No. TC220A04A-49）。

2. 背景

仿生突触集存储和处理功能于一体，被认为有望解决冯·诺伊曼架构计算固有的硬件冗余、高功耗、存储与计算分离所引发的延迟等问题，因而近年来受到广泛关注。相比广泛研究的电学仿生突触，光电仿生突触具有非接触式、高速传输、低串扰、波长复用及并行操作等优势，因此在智能传感器、神经假体以及仿生视觉等领域展现出巨大应用潜力。工作于日盲紫外波段（SBUV，200–280 nm）的光电仿生突触具有极强的抗干扰能力，能显著简化信息处理过程，并实现高精度目标检测。这使其在空间探索、火灾预警、军事通信与仿生视觉等领域具有广阔应用前景。相比其他 SBUV 敏感材料，β-Ga₂O₃ 具备禁带宽度位于 SBUV 波段中部、高稳定性、对偏振光敏感、易制备等优势。 然而，由于传统观点认为 Ga₂O₃ 材料的光电突触可塑性源于氧空位等缺陷，因此，高结晶质量的 β-Ga₂O₃ 很少被用于光电仿生突触。

3. 主要内容

传统观点认为，Ga₂O₃ 的光电突触可塑性主要归因于材料中的氧空位等缺陷，因而高结晶质量通常被视为不利因素。然而，在该研究中，研究团队通过提高 β-Ga₂O₃ 异质外延薄膜的晶体质量，显著增强了光电突触器件的突触可塑性，使其恢复时间从 0.22 s 延长至 3.05 s。受此启发，研究团队进一步采用质量更高的 β-Ga₂O₃ 同质外延制备光电突触器件，将器件的恢复时间进一步延长至 40 s 以上。此外，该器件展现出多种突触功能，包括多级存储、短时记忆（STM）和长时记忆（LTM）。同时，该器件在 1-10 V电压范围内表现出优异的稳定性，具备模拟人眼虹膜功能的潜力，并能在高温（630 K）条件下正常工作。结合薄膜的 PL、XPS 等表征分析，研究人员认为这些高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜所表现出的突触可塑性来源于其固有的间接带隙特性。

4. 研究亮点

提升晶体质量可以增强 β-Ga₂O₃ 薄膜的突触可塑性；

优化后的器件展现出多级存储、短时记忆（STM）与长时记忆（LTM）等功能；

该器件表现出优异的电压稳定性及高温可工作性。

5. 总结

该研究通过结合 β-Ga₂O₃ 薄膜特性以及对应的光电突触器件性能，表明氧空位并不是导致 β-Ga₂O₃ 材料的突触可塑性的唯一因素，β-Ga₂O₃ 固有的间接带隙结构同样会导致 β-Ga₂O₃ 材料具备突触可塑性。此外，基于高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜的光电突触器件具有良好的电压稳定性，并且可在高温条件下工作。本研究不仅加深了对 β-Ga₂O₃ 基 SBUV 器件的理解，也为其设计与开发提供了重要参考。

6. 图文示例

图 1：（a）S1 的 XRD 2θ-ω 扫描谱；（b）S1-S4 的（-201）反射面的XRD摇摆曲线；（c）S1-S4 的透射光谱。

图 2：（a）在 β-Ga₂O₃ 异质外延薄膜上制作的器件示意图；（b）DS1-DS4 的 I_dark；（c）DS1-DS4 的 I₂₅₄。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.179771

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号