基于超薄ITO/IGZO异质结的太阳能致盲光电突触，用于光学传感类神经形态应用

《Journal of Alloys and Compounds》：Solar-Blind Optoelectronic Synapse Based on Ultrathin ITO/IGZO Heterojunction for Optical In-Sensor Neuromorphic Applications

　　

李青轩|崔斌|王思伟|孙青青|张大卫伟|陈林

中国安徽省安庆市230601，安徽大学集成电路学院

摘要

在航空航天应用以及太阳盲检测任务中，能够检测、处理和存储深紫外信号的突触器件需求极为旺盛。然而，这类器件的研发仍面临巨大挑战。本文报道了一种基于超薄ITO/IGZO异质结的太阳盲光电突触器件。该异质结显著提升了器件的稳定性，在正负偏压应力作用下阈值电压变化极小。得益于该异质结的高灵敏度光探测能力以及较高的电荷捕获密度，该器件展现了出色的突触特性，包括突触可塑性和学习功能。尤其重要的是，由于其对280纳米太阳盲光线的固有响应，该器件具备抗干扰检测能力。通过构建人工神经网络，即便在可见光干扰存在的情况下，也能实现超高精度的面部识别。本研究为未来开发可靠、高效且稳定的光电子神经形态系统提供了有效策略。

引言

能够同时感知、处理并存储外部刺激的突触器件，因其在下一代智能感知系统中的应用而备受关注[1]、[2]、[3]。尤其是在恶劣的航空航天环境以及太阳盲检测场景下，对可靠运行的需求日益增加，这凸显了能够响应深紫外信号的器件的重要性[4]、[5]。与传统将感知、计算和存储单元分开的系统不同，光电子突触晶体管可实现传感器内计算，从而降低延迟并减少能耗[6]、[7]、[8]。

单层氧化铟锡突触晶体管因其高电导率和高本征载流子浓度而被广泛研究[9]、[10]。但在单层导电氧化物通道中，光生载流子的产生、电荷捕获以及载流子传输会在同一层内同时发生。过高的自由电子浓度会削弱栅极的静电控制作用，加速载流子复合，并在电应力作用下加剧陷阱激活，从而导致调制线性度下降和偏压稳定性变差[11]、[12]、[13]。此外，载流子传输区域与电荷调制区域之间缺乏功能分离，也限制了突触行为的可控性。在厚度低于5纳米的超薄氧化物通道中，这些问题更为严重，因为强烈的表面/界面散射、缺陷引起的载流子波动以及不足的载流子限制，都会显著降低器件的可靠性与电气均匀性[14]、[15]。

为解决这些限制，本文提出了一种超薄ITO/IGZO异质结结构。选择这种异质结构的理由在于这两种氧化物半导体的电子特性互补。ITO层具有高载流子浓度和高电导率，主要作为电子传输路径和载流子储存库，有助于快速传输电流并降低通道电阻。相比之下，IGZO层具有更宽的带隙、更低的本征载流子浓度以及更好的栅极控制能力，能够在深紫外光照下实现高效的光生载流子产生和电荷调制。更重要的是，异质结的能带匹配促进了电子在界面处的空间重新分布，有助于减少介电界面附近的载流子过度积累，进而抑制由陷阱引起的复合以及应力引发的性能退化[16]、[17]。同时，IGZO的宽带隙特性本身就能抑制可见光吸收，为太阳盲光响应提供了物理基础。因此，这种异质结构设计实现了载流子传输与突触调制的功能解耦，极大提升了突触的线性度、运行稳定性以及抗干扰能力[18]。

在本研究中，我们基于超薄ITO/IGZO异质结制备了一种突触器件。该器件不仅在正负偏压应力测试中展现出出色的稳定性和可靠性，还在光电子双调制条件下成功模拟了突触可塑性。值得注意的是，当该器件被集成到人工神经网络中后，即便在非太阳盲光干扰以及30%的人为图像噪声存在的情况下，该网络仍能实现93.2%的面部识别准确率。这些结果证明了该器件在强大的多模态神经形态计算中的应用潜力，也凸显了其在构建可靠的传感器内光电子视觉系统方面的适用性。

内容片段

ITO/IGZO异质结器件的制备

Si/SiO?衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗5分钟，之后进行氮气干燥处理。底部栅电极是通过光刻技术和基于CF?的反应离子刻蚀技术制备的，随后通过物理气相沉积技术沉积10纳米的钛粘附层和70纳米的铂层，最后进行剥离处理。此外，还使用四(二甲氨基)铪在250摄氏度下通过原子层沉积技术沉积了约8纳米的HfZrO?高k值介电膜

结果与讨论

图1a展示了基于ITO/IGZO异质结的所提出的光电双调制器件的结构示意图。图1b为该器件的截面透射电子显微镜图像，可以看出器件界面清晰，通道层厚度仅为3.5纳米。图1c中的线扫描图像以及图1d中的EDX图像显示，上层区域（IGZO）以锌/镓信号为主，而下方区域的锡元素强度则更高

结论

总之，本文提出了一种基于超薄ITO/IGZO异质结的突触器件。该器件不仅在正负偏压应力测试中表现出出色的稳定性和可靠性，还成功模拟了基本的突触功能。当被集成到人工神经网络中后，即便在可见光和人为图像噪声干扰存在的情况下，该网络仍能保持较高的面部识别准确率。这些结果验证了ITO/IGZO异质结在实现稳定性能方面的可行性

CRediT作者贡献说明

崔斌：撰写——初稿、软件应用、实验研究、数据整理。王思伟：方法设计、实验研究、数据整理。孙青青：项目指导。张大卫伟：结果可视化、资金筹集。李青轩：撰写——审阅与编辑、结果可视化、性能验证、项目管理、正式分析、数据整理。陈林：资源协调、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号62504002、92573202和62574061）、安徽省自然科学基金（项目编号2508085QF245）、广西脑启发计算与智能芯片重点实验室（项目编号BCIC-24-K4）、上海市科学技术委员会（项目编号25LN3201100），以及由上海教育发展基金会和上海市教育委员会支持的“曙光计划”的资助。