定向设计的β-Ga2O3光电子突触，用于实现对偏振敏感的类神经视觉系统

《Materials Today Physics》：Orientation-Engineered β-Ga 2O 3 Optoelectronic Synapses for Polarization-Sensitive Neuromorphic Vision

　　

摘要

具有偏振敏感特性的神经形态视觉系统为获取光学信息提供了有力途径，但其实际微型化与集成仍受限于庞大的光学组件以及分离的处理单元。在此，我们展示了一种经过定向设计的β-Ga?O?紫外光电子突触，用于实现偏振敏感的神经形态视觉功能。基于费米黄金规则及光学跃迁选择规则，理论分析表明β-Ga?O?的(201)晶面具有更强的偏振选择性吸收特性，在258纳米波长处的二向色性比可达3.2。通过衬底工程技术，可在r面蓝宝石衬底上可控地生长出(201)定向的β-Ga?O?外延膜。该器件能够模拟具有偏振敏感性的关键突触功能，包括从短期记忆到长期记忆的转换，并具备更强的学习与记忆能力。此外，利用这种偏振调制的突触响应，可实现基于存储计算的面部识别，在0°偏振条件下经过200次训练后仍能保持92%的识别准确率。此外，还基于该器件设计了偏振调制的卷积核，用于图像边缘增强和手写数字识别，在10%、20%和50%的噪声环境下分别保持99%、99%和97%的高准确率。这项工作为基于β-Ga?O?的偏振敏感光电子突触提供了设计思路，也为构建兼具感知、存储和计算功能的紧凑型紫外神经形态视觉系统奠定了基础。

引言

光的偏振状态作为光学场的核心自由度，能够传递超出强度、波长和相位等传统光学参数所编码的信息，因此在复杂环境感知中起着不可或缺的作用[1]、[2]、[3]、[4]。近年来，具有偏振敏感特性的神经形态视觉传感器在现代光子学以及类脑智能感知领域受到了越来越多的关注，这类技术对于自主导航、自由空间光通信、生物医学成像、遥感、机器视觉以及复杂环境中的目标识别具有重要意义[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而，传统的偏振敏感视觉系统通常依赖外部偏振器、波片和光学滤光片来获取和分析偏振信息，这类系统往往存在体积庞大、光学路径复杂、能耗较高、响应速度较慢以及器件集成度不足等问题[13]、[14]、[15]、[16]。

各向异性半导体材料为解决这些难题提供了有效途径。由于这类材料的晶体对称性较低，其原子排列、电子结构、光学跃迁概率以及载流子传输特性在不同晶体轴方向上存在差异，因而具有固有的偏振敏感性。与基于人工微纳结构或外部偏振光学元件的传统方法相比，内在各向异性的材料体系无需额外的庞大光学组件，即可直接将入射光的偏振方向转换为不同的电信号[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。宽禁带β-Ga?O?尤其适合用于构建偏振敏感的神经形态视觉系统。首先，β-Ga?O?具有超宽的禁带宽度以及出色的抗太阳光干扰的紫外响应能力，能够在低背景噪声条件下实现高度选择性的紫外检测[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。其次，β-Ga?O?中普遍存在的氧空位可以在能带间隙中引入缺陷能级，当受到紫外光照射时，光生载流子会被激发，部分电子会被氧空位相关的缺陷态所捕获[27]、[28]、[29]、[30]。同时，β-Ga?O?属于低对称性的单斜晶结构，其晶体各向异性进一步增强了它的偏振敏感性。由于Ga-O多面体的连接方式、键长、键角以及电子波函数的空间分布在不同晶体方向上存在差异，入射光的振荡电场与电子态之间的耦合强度会显著依赖于方向[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。通过群论分析、第一性原理计算以及偏振分辨光探测实验，人们已经系统地阐明了β-Ga?O?出色的偏振检测性能及其背后的物理机制[36]、[37]、[38]。β-Ga?O?的偏振响应也与薄膜的晶体取向密切相关。当强烈的各向异性晶体方向位于器件平面内时，入射光的偏振角度变化会显著影响光学吸收和光生载流子的产生，从而导致较高的二向色性比以及明显的角度依赖性光响应。因此，通过晶体取向工程可以有效地增强β-Ga?O?薄膜的平面内光学各向异性以及偏振分辨能力[39]、[40]。

在本研究中，我们基于光学跃迁选择规则和费米黄金规则，系统研究了具有不同晶体取向的β-Ga?O?的偏振依赖性光学吸收特性。理论分析结果表明，由于低对称性单斜晶格导致的各向异性跃迁矩阵元素，(201)晶面的偏振选择性光学吸收强度要高于其他晶面，在258纳米波长处的二向色性比可达3.2。基于这一理论结果，我们通过衬底工程技术在r面蓝宝石衬底上可控地生长出(201)定向的β-Ga?O?外延膜，进而制备出了具有偏振敏感特性的紫外光电子突触器件。该器件在偏振紫外光照射下会表现出明显的偏振依赖性兴奋性突触后电流响应，从而能够有效区分不同偏振方向的紫外光。基于这种偏振调制的突触响应，我们进一步构建了一个集成式存储计算系统，用于在复杂光照条件下的面部识别。该系统在0°偏振状态下具有更快的训练收敛速度和更高的识别准确率，经过200次迭代后可达92%的识别准确率。此外，利用该器件在0°和90°偏振状态下不同的EPSC响应特性，我们还设计了偏振调制的卷积核，用于图像边缘增强和MNIST手写数字识别。这项工作为构建兼具感知、存储以及类脑计算功能的紧凑型神经形态视觉系统提供了有力的材料和器件设计方案。

章节要点

结果与讨论

人类视觉系统在图像感知与信息处理方面具备卓越的能力，能够高效地识别光的强度、颜色以及空间形态。然而，它对光的偏振特性却缺乏敏感性，而偏振正是光的一种重要自由度，能够反映材料的各向异性、表面取向、界面结构以及散射特性等丰富信息。这类偏振信息在自然场景中普遍存在

结论

所设计的器件在254纳米光照下表现出明显的偏振依赖性EPSC响应，并成功模拟了包括学习、遗忘、可调节记忆以及从短期记忆向长期记忆转换在内的关键突触功能，这些功能主要得益于氧空位介导的持久光导效应。此外，这种偏振调制的突触响应还被应用于神经形态视觉处理，比如基于存储计算的面部识别等应用

材料

首先将c面和r面的Al?O?衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，随后进行干燥处理，为后续薄膜生长做准备。接着，使用等离子体增强化学气相沉积技术，在经过处理的Al?O?衬底上生长β-Ga?O?薄膜。作为Ga源和O源，分别使用了高纯度液态镓（纯度为99.99%）和氧气（纯度为99.999%）。炉温以每分钟10℃的速率升高至850℃。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性

作者声明，支持本研究结果的实验数据均收录在论文及其补充信息文件中。如需详细数据，可向通讯作者索取。

CRediT作者贡献说明

Guo Daoyou：指导工作、资金申请。Yu Zhihao：可视化处理、方法设计、实验研究、定量分析。Zhang Yiwen：初稿撰写、方法设计、实验研究、定量分析、概念构思。Wu Chao：论文修订、指导工作、资金申请。Wu Fengmin：指导工作、资金申请、定量分析。Jian Yiding：可视化处理、软件相关工作

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62304205、62274148、62374147、U23A20349）、浙江省自然科学基金（项目编号：LQ24F040002）、浙江科技大学科学基金（项目编号：25062169-Y）以及杭州市自然科学基金（项目编号：2024SZRZDF040001）的支持。

Yiwen Zhang|Zhihao Yu|Yiding Jian|Fengmin Wu|Chao Wu|Daoyou Guo