基于Ga?O?纳米棒的双功能深紫外光电探测器及其在图像感知与神经形态计算中的应用

《Applied Surface Science》：Bifunctional deep-ultraviolet photodetectors with Ga 2O 3 nanorods for image perception and neuromorphic computing

　　## 摘要- 采用湿化学方法制备了基于Ga?O?纳米棒阵列的深紫外光电双功能器件。- 该器件表现出优异的光电探测性能，暗电流为2.07×10?12 A，响应度为42.78 mA/W，探测率为3.39×1012 Jones，上升时间和衰减时间分别为52.09 ms和55.1 ms。- 该器件能够模拟包括短时程增强（STP）、长时程增强（LTP）、突触前电流（EPSC）和配对脉冲促进（PPF）在内的典型突触可塑性行为，实现光信号的感知、存储和调制。## 引言波长小于280 nm的深紫外（DUV）辐射在阳光穿过地球大气层时会被完全吸收和散射，无法到达地面[1]。利用太阳盲紫外（SBUV）辐射，紫外光电探测器（PDs）在工作时具有天然的低背景噪声特性，使其在环境监测、生化检测、工业工程和军事领域具有重要的应用前景[2]。得益于先进且成熟的CMOS技术，硅是目前大多数紫外光电探测器的主要材料。然而，硅的带隙较窄（约1.12 eV），且具有宽带光谱响应特性，因此在不使用昂贵的光学滤波器的情况下无法实现精确的深紫外探测，从而大大增加了生产成本[3]。因此，探索低成本的替代材料迫在眉睫。近年来，宽带隙半导体材料因其卓越的抗辐射性、优异的热化学稳定性和优越的深紫外光吸收能力，被认为是高性能太阳盲紫外光电探测器（SBPDs）的理想候选材料[4]、[5]、[6]、[7]。作为一种超宽带隙（UWBG）半导体（E_g ≈ 4.9 eV），Ga?O?对太阳盲紫外光具有高吸收系数、高环境稳定性，且具有高的击穿电场强度（7–8 MV/cm），Ga?O?已被用于制作多种电子设备，包括紫外探测器、场效应晶体管、肖特基二极管和功率器件[8]、[9]、[10]、[11]。在过去十年中，研究人员开发了多种制备氧化镓薄膜的方法，主要包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、原子层沉积（ALD）、脉冲激光沉积（PLD）和磁控溅射[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，这些方法存在成本高和制备工艺复杂的缺点。相比之下，溶液法能够实现Ga?O?薄膜的经济高效的大规模制备[17]、[18]、[19]。Zhang等人制备了基于水热合成α-Ga?O?纳米棒阵列（NAs）的PEC型光电探测器[20]，实现了300 nm以下太阳盲紫外照射的有效探测和快速响应，上升时间τ_rise和延迟时间τ_delay分别为0.076 s和0.056 s，在254 nm处的响应度为0.42 mA/W[21]。Zhang等人制备了γ-Al?O?包覆的α-Ga?O?树枝状薄膜用于PEC光电探测器，Ga?O?/Al?O?异质结势垒有效地促进了光生载流子的分离并抑制了其复合。同时，独特的树枝状结构缩短了电荷传输距离并提高了光吸收能力，赋予器件响应度R为0.174 mA/W、高光暗电流比PDCR为51.3以及在0.1 s内的快速响应[22]。然而，单层Ga?O?纳米阵列由于氧空位缺陷导致载流子迁移率降低[23]，从而造成暗电流升高、响应速度缓慢，难以同时实现高速探测和突触可塑性，这限制了其在神经形态视觉系统中的应用。为了改善载流子传输特性，异质结技术通常被采用。异质结能够实现不同功能材料的集成，以产生多功能协同效应。Zhao等人报道的Ga?O?/ZnO核-壳微丝异质结表现出优异的光电性能，在251 nm处实现响应度9.7 mA/W、探测率2.58×1012 Jones、上升时间100 μs、衰减时间900 μs和光暗电流比690[24]。Ga?O?/Nb:SrTiO?异质结实现了零能耗太阳盲光电探测器，具有快速响应速度（上升时间210 ms和衰减时间70 ms）[25]。Wang等人报道了一种全氧化物Ga?O?/NiO p-n结自供电光电探测器，具有高探测率5.45×10? Jones和PDCR为122[26]。构建Ga?O?/SnO?异质结可以通过界面能带工程优化载流子的分离、传输和捕获行为，从而实现高响应度和可控的持续光电导。引入Pt电极不仅形成了稳定的肖特基接触以抑制暗电流，还提供了电荷捕获和突触权重调制的界面势垒。目前，在单一器件中同时实现优质光电传感和仿生光电突触行为仍缺乏成熟的体系，面向太阳盲紫外应用的双功能器件研究仍然缺乏且仍处于很大程度上未被探索的状态。在本工作中，通过湿化学方法制备了基于氧化镓纳米棒阵列的深紫外光电双功能器件。在254 nm深紫外光照射下，该器件表现出暗电流2.07×10?12 A、响应度R为42.78 mA/W、探测率D为3.39×1012 Jones、光暗电流比PDCR为7.5×103、上升响应时间τ_r = 52.09 ms、衰减响应时间τ_d = 55.1 ms，并实现了快速光信号探测与长期突触可塑性（EPSC、STDP、学习-遗忘-再学习行为）之间的模式切换。此外，还制备并表征了包含81个像素的9×9器件阵列。本工作为高性能深紫外探测以及感知-存储-计算集成系统提供了一种低成本、高集成度的策略。## 分节摘要### 实验部分**Pt/Ga?O?/SnO?/蓝宝石器件的制备：** 将蓝宝石衬底依次用去离子水、丙酮和乙醇各清洗30分钟。通过旋涂法在蓝宝石衬底上制备二氧化锡薄膜。将1 mL二氧化锡水性胶体分散液（SnO?，12%）与3 mL去离子水均匀混合。将300 μL混合物沉积到清洗后的蓝宝石衬底上，以2000 rpm旋涂1分钟。随后，蓝宝石……### 结果与讨论通过水热法在SnO?薄膜上生长Ga?O?纳米棒，然后在空气中以900°C退火，成功获得了Ga?O?纳米棒。SnO?薄膜通过旋涂法制备在蓝宝石衬底上。图1a和图1b分别展示了生长在SnO?/蓝宝石衬底上的Ga?O?纳米棒的横截面和俯视图SEM图像。图1c展示了图1b中红色虚线区域的放大视图。纳米棒的平均高度、平均直径和平均间距为……### 结论总之，通过湿化学方法制备了Ga?O?纳米棒阵列，并制造了相应的深紫外光电双功能器件。通过缺陷工程和界面工程的协同效应，该器件实现了光电探测和光电突触的双重功能。在254 nm深紫外光照下，该器件表现出暗电流2.07×10?12 A、光暗电流比PDCR为7.5×103、峰值响应度42.78 mA/W、探测率3.39×1012 Jones、上升时间……### CRediT作者贡献声明**周长生：** 撰写——初稿、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。**石泽峰：** 方法论、调查研究、形式分析、数据整理。**陈乃佳：** 方法论、形式分析、数据整理。**段金霞：** 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查研究、资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。**李锐：** 方法论、形式分析、数据整理。**朱元龙：** 方法论、形式分析……### 资助中国湖北省重大专项（批准号：2023BAA009）和湖北省科技重大专项（批准号：2022AEA001）。### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知的与本文所报告工作相关的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本工作由**中国湖北省重大专项**（批准号：2023BAA009）和**湖北省科技重大专项**（批准号：2022AEA001）提供资金支持。## 作者周长生 | 石泽峰 | 陈乃佳 | 段金霞 | 李锐 | 朱元龙 | 熊任建 | 刘思源 | 王子煜 | 王浩