原子层沉积Al2O3前驱体调控IGZO突触晶体管光电性能的机制研究与神经形态计算应用

本文揭示了原子层沉积（ALD）中不同氧化剂（H2O/O3）对Al2O3介导的IGZO突触晶体管光电性能的调控机制。研究发现，H2O前驱体引入的羟基（─OH）杂质可产生亚带隙缺陷，使器件在420-620 nm可见光下实现超高光灵敏度（≥106）和响应度（≥0.1 A W?1），成功模拟光驱动突触可塑性；而O3前驱体则通过界面负固定电荷改善电极接触特性。该研究为设计高性能神经形态视觉传感器提供了新思路。

　　

1 引言

在人工智能（AI）和物联网（IoT）时代，传统冯·诺依曼架构面临能效瓶颈。神经形态计算通过模拟人脑突触（约10¹⁵个连接）的并行处理能力，成为突破方向。铟镓锌氧化物（IGZO）因其高迁移率（>10 cm²·V^?1·s^?1）和持久光电导效应（PPC），成为光电器件理想材料。然而其宽禁带（>3 eV）导致可见光响应受限，亟需通过异质结工程拓展光谱范围。

2 结果与发现

结构设计与性能提升

通过ALD在IGZO表面沉积1 nm Al₂O₃（H₂O/O₃），器件均表现出超高开关比（>10⁹）。其中H₂O前驱体制备的样品场效应迁移率（μ_FE）提升至12.21 cm²·V^?1·s^?1，接触电阻（R_SD）显著降低。XPS分析显示，H₂O处理的IGZO羟基含量达35.4%（O1s谱531.1 eV峰），诱导亚带隙发射（520-650 nm PL峰），而O₃样品则通过界面负电荷（功函数增加0.3 eV）优化电极接触。

光电响应机制

IGZO/Al₂O₃(H₂O)在420-620 nm可见光下实现光暗电流比>10⁶，响应度达0.1 A W^?1，归因于羟基诱导的浅能级缺陷（1-2.4 eV above VBM）。而O₃样品因缺陷钝化仅对蓝光（420 nm）敏感。UPS证实H₂O处理使费米能级上移0.14 eV，载流子浓度增加。

突触功能模拟

在520 nm绿光脉冲刺激下，器件成功模拟生物突触特性：

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  双脉冲易化（PPF）指数从51.34%（Δt=5 s）衰减至4.27%（Δt=60 s），符合双指数衰减（τ₁=2.71 s，τ₂=35.53 s）

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  低频刺激（0.1 Hz）诱发短时记忆（STM），高频（0.5 Hz）转为长时记忆（LTM）

3 结论

研究阐明ALD氧化剂选择对IGZO/Al₂O₃性能的差异化调控：H₂O通过羟基缺陷实现可见光突触可塑性，O₃则优化界面接触。这为开发可扩展的神经形态视觉芯片提供了材料设计准则。

4 实验方法

采用ALD沉积Al₂O₃（TMA+H₂O/O₃），磁控溅射制备IGZO（In:Ga:Zn=1.14:1:1）。通过XPS/UPS分析能带结构，PL表征缺陷态，Keithley 4200A测试电学性能。