一种高响应性的Ga?O?光电突触，用于紫外-C波段的传感器计算

《Journal of Alloys and Compounds》：A high-responsivity Ga 2O 3 optoelectronic synapse for UV-C in-sensor computing

Ga?O?光电子突触通过 tin掺杂和氧空位缺陷调控实现高响应度（1.46×103 A/W）与探测度（3.14×101? Jones），支持神经形态视觉系统在20训练周期内达90%识别准确率。

　　

作者：严思怡、张洪涛、彭莉、贾燕、陈艳伟

吉林农业大学信息技术学院，长春 130118，中国

摘要

Ga₂O₃ 光电突触（OS）在神经形态计算中展现出巨大潜力，这有望克服传统计算机视觉系统固有的冯·诺依曼瓶颈。然而，目前通过低成本方法制造的光电突触性能仍然不足，限制了其灵敏度和模式识别精度。本研究提出了一种高性能的锡合金化 Ga₂O₃（GTO）光电突触，其开关比为 6.14 × 10⁶，响应率为 1.46 × 10³A/W，检测灵敏度为 3.14 × 10¹⁶ Jones。这些参数在基于 Ga₂O₃ 的深紫外（DUV）光电器件中属于最高水平。通过结合 X 射线光电子能谱和光致发光分析，我们发现锡替代掺杂和氧空位缺陷促进了载流子捕获和内部增益，从而提升了光电突触的光电检测性能。此外，高响应率和持久的光电导性使该器件能够模拟记忆和遗忘等关键神经生物学功能。作为概念验证，我们构建了一个基于 GTO 的神经形态视觉系统，用于 DUV 冠状图像识别，在仅 20 个训练周期内实现了超过 90% 的准确率。这项工作为高效率神经形态视觉系统中应用溶液处理型 DUV 光电突触奠定了基础。

引言

开发能够模拟人类视觉的神经形态视觉系统是当前研究的前沿领域，在神经形态智能技术和智能机器人技术中具有广泛应用前景。[1],[2],[3],[4] 实现神经形态视觉系统需要光敏材料和具有高响应率及持久光电导性的光电突触（OS），以便根据刺激强化或减弱突触权重。[5],[6],[7] 金属氧化物半导体（如 IGZO 和 ZnO）因其可见光透明性、可加工性以及掺杂剂和载流子传输的可调性而常用于神经形态视觉系统。[6],[8],[9],[10],[11],[12] Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，引起了人们对神经形态视觉系统应用的兴趣。Ga₂O₃ 具有优异的特性，如高深紫外（DUV）吸收率、可调的持久光电导性和电场稳定性，使其成为模拟光电突触的理想材料。Ga₂O₃ 中的氧空位（V_O）缺陷具有低理论形成能，能够控制光生电流的松弛时间和长期保持特性。[13] 此外，Ga₂O₃ 的高吸收系数使其能够对微弱光刺激做出响应。[13] 其超宽禁带特性解决了可见光图像感知的局限性，在基于空间的导弹预警和指纹识别等领域具有潜力。[4],[14],[15],[16] 然而，目前关于 Ga₂O₃ 光电突触的研究主要集中在提高响应率和延长响应时间上，[17],[18],[19] 导致器件性能未能满足神经形态视觉系统的要求。[20]

载流子捕获引起的内部增益过程是提升光电突触响应率的基本机制。[21] 材料中的缺陷作为载流子的捕获中心，[22],[23] 延长了载流子的寿命，从而增加了光电导增益。这一内部增益过程还通过反复捕获和释放载流子，延长了光响应的上升和衰减时间，使得 Ga₂O₃ 光电突触适用于神经形态视觉系统。在 Ga₂O₃ 中，空穴的有效质量较大且具有自捕获效应，而电子的迁移速度较快。通过优化制备条件、实施后处理等策略，可以调控内部增益过程。以往对 Ga₂O₃ 光电突触的研究主要采用磁控溅射、[24] 脉冲激光沉积、[25] 分子束外延[18] 或金属有机化学气相沉积[26] 等技术。相比之下，溶胶-凝胶法[27],[28] 具有简单性和高产量优势，可以调节材料成分和掺杂浓度。然而，由于外部电子传输特性的挑战，溶液处理的 Ga₂O₃ 光电突触的应用受到限制。开发能够利用内部增益机制的合适溶胶-凝胶方法，有望提升 Ga₂O₃ 光电突触的响应率和持久光电导性，以满足神经形态视觉系统的要求。值得注意的是，Youngbin Yoon、Myunghun Shin 及其团队的开创性工作显著展示了锡掺杂在提升基于 Ga₂O₃ 的电子和光电器件（包括晶体管、光电探测器和神经形态突触组件）性能方面的巨大潜力。[29],[30],[31],[32],[33] 他们成功制备了 8 nm 厚度的多晶 β-Ga₂O₃ MOSFET，实现了常关操作和出色的深紫外光检测能力（通过 Sn 掺杂）。同样值得称赞的是他们开发的 100 nm 厚度的多晶 β-Ga₂O₃ MOSFET——通过可扩展的溶液工艺制造，适用于功率电子和光电检测应用。这些开创性研究表明，战略性引入锡掺杂（尤其是通过经济可行的途径）为高性能基于 Ga₂O₃ 的 DUV 光电系统提供了极具前景的途径。

本研究证明了使用溶胶-凝胶锡箔掺杂策略制备高性能镓锡氧化物合金（GTO）光电突触的可行性。与传统依赖锡盐作为掺杂源的溶胶-凝胶方法相比，我们采用了锡箔前驱体策略。这种方法具有三个显著优势：(i) 通过消除可能充当电荷陷阱的阴离子杂质，确保了材料的高纯度；(ii) 通过原位溶解促进 Sn⁴⁺ 的均匀分布，提高了重复性；(iii) 通过建立替代掺杂、氧空位形成与定制光电响应之间的直接联系，实现了精确的缺陷工程——具体而言，就是巨大的光电导增益和持久的光电导性，这是我们器件突触功能的基础。通过优化掺杂和退火条件，我们实现了优异的响应率（1.46 × 10³A/W）和持久光电导性，这些性能与替代锡（Sn_Ga）和氧空位（V_O）介导的载流子捕获及内部增益有关。所得器件实现了高效的神经形态视觉处理，在 DUV 冠状图像识别任务中准确率达到 90% 以上。我们的研究为下一代神经形态视觉系统提供了低杂质、可溶液处理的 Ga₂O₃ 光电突触制备途径。

材料合成与器件制备

不同 Sn 掺杂浓度（0?10%）的 GTO 薄膜通过旋涂制备，随后进行热退火处理。在制备前驱体溶液过程中，硝酸镓六水合物与乙二醇之间的醇解反应产生的氢离子完全溶解了锡箔。GTO 薄膜中的锡含量由锡箔的重量控制。经过多次旋涂/干燥后，样品进行了退火处理。

结果与讨论

使用金属锡箔作为前驱体具有可控掺杂的优势。首先，它避免了阴离子污染物（例如来自 SnCl? 的 Cl?）的引入，这些污染物可能充当电荷陷阱或无意中的掺杂剂，从而简化了缺陷化学分析。此外，通过明确的酸碱反应溶解锡，可以实现基于箔重量的精确化学计量控制，确保了高重复性。

结论

总之，本研究开发出了低成本的高性能 GTO 光电突触，其关键性能指标包括开关比为 6.14 × 10⁶，响应率为 1.46 × 10³A/W，检测灵敏度为 3.14 × 10¹⁶ Jones，上升/衰减时间为 756/158 ms。GTO 光电突触性能的提升归因于 V_O 和 Sn_Ga 等缺陷引起的光电导增益过程以及载流子的捕获。GTO 光电突触的高响应率和长响应时间使其非常适合用于神经形态视觉系统。

CRediT 作者贡献声明

严思怡：概念设计。张洪涛：数据整理。陈艳伟：概念设计。彭莉：实验研究。贾燕：数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了吉林省的资助（项目编号：YDZJ202401561ZYTS 和 JJKH20230384KJ）。