调控氧空位实现非晶氧化镓忆阻器的稳定非易失性开关特性与神经形态计算

本综述聚焦于非晶氧化镓（a-Ga2O3）忆阻器中氧空位调控策略，通过磁控溅射技术精确控制Ar:O2比例（40:10最优），显著提升了阻变开关性能，包括高开关比（～103）、长保持性（104 s）、快响应（90 μs）及稳定导电细丝（CFs）形成。该器件在MNIST图像识别任务中实现98.67%准确率，为高密度存储与神经形态计算提供了新材料解决方案。

　　

Highlight

非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）忆阻器通过氧空位精准调控展现出卓越性能，其导电细丝（CFs）形成机制与离子迁移动力学为高性能神经形态计算器件设计提供了新见解。

Device fabrication

本研究采用磁控溅射系统制备a-Ga₂O₃阻变层与电极。在沉积前，铂涂层二氧化硅（Pt/SiO₂）基底经丙酮、酒精和去离子水分步超声清洗去除有机污染物，并于80°C烘箱干燥50分钟。a-Ga₂O₃开关层使用高纯度靶材通过射频磁控溅射沉积，通过精确控制氩氧比例（如40:10）调控氧空位浓度。

Results and discussion

图1展示了W/a-Ga₂O₃/Pt忆阻器结构与薄膜特性。器件采用阴影掩模制备钨顶电极，二氧化硅基底上溅射铂底电极，中间为a-Ga₂O₃开关层（图1a）。表面与截面表征（图1b,c）显示薄膜具有均匀非晶结构，X射线光电子能谱（XPS）证实氧空位浓度与氩氧比直接相关。电学测试表明，40:10比例制备的器件呈现稳定双极阻变行为，开关窗口达10³量级，保持特性超过10⁴秒，响应速度达90微秒。导电机制分析表明，低阻态（LRS）符合欧姆传导，高阻态（HRS）为空间电荷限制电流（SCLC），证实氧空位主导的导电细丝形成/断裂机制（图2d-f）。此外，该器件成功模拟生物突触功能，在脉冲训练中实现长期增强（LTP）与抑制（LTD），并于MNIST手写数字识别任务中达到98.67%准确率（图3g-i）。

Conclusions

通过射频溅射精确调控氧空位，a-Ga₂O₃忆阻器展现出增强的开关性能。氩氧比40:10制备的器件具有高开关比、优异保持特性、快速响应及稳定开关电压分布。导电细丝模型与离子迁移机制被深入阐明，神经形态计算应用验证了其在人工智能硬件中的巨大潜力。