在超低温条件下通过原子层沉积（ALD）方法生长的ZnO薄膜中，可调控的光电突触行为

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Tunable optoelectronic synaptic behavior in ultralow-temperature ALD-grown ZnO thin films

　　

摘要

利用通过低温原子层沉积（ALD）技术在100°C以下生长的ZnO薄膜，制造了Al/ZnO/Al光电子突触器件，并系统研究了生长温度对其结构、光学、电气和突触特性的影响。即使在这个低温范围内，ZnO薄膜也表现出明显的温度依赖性变化，包括结晶度、晶粒尺寸、表面粗糙度、光学带隙、载流子传输和持续光电导性的变化。特别是在90°C下生长的薄膜呈现多晶ZnO相，而在40°C时未观察到明显的ZnO diffraction峰，表明在较低的生长温度下结构有序性降低。随着生长温度从40°C升高到90°C，器件表现出更高的光电流、更大的兴奋性突触后电流、更慢的衰减以及在各种光学刺激条件下的改进响应。重复的光学刺激增强了再学习行为，提高了学习程度，降低了遗忘率，并延长了保持时间。此外，随着生长温度的升高，脉冲时序依赖的可塑性变得更加稳定。使用5 × 5像素阵列进行的视觉学习和遗忘实验进一步证实，在90°C下生长的器件最有效地保留了存储的模式。

引言

神经形态器件模仿生物神经网络的信号处理和记忆功能，由于它们的低功耗、并行信息处理能力以及克服传统冯·诺伊曼架构限制的潜力，已成为下一代计算系统的关键组件[[1], [2], [3]]。其中，突触器件尤为重要，因为它们模拟了生物神经元之间的信号传输和调制，使人工系统能够实现学习和记忆功能。近年来，光电子突触器件成为有前景的选择，因为光学刺激具有多种优势，包括低电气干扰、高信号稳定性和与视觉信息的直接交互可能性[[4], [5], [6]]。在探索用于光电子突触器件的各种材料系统中，氧化半导体由于其出色的工艺兼容性、电气可靠性和缺陷介导的光响应而受到广泛关注[7]。特别是ZnO是一个非常有吸引力的候选材料，因为它具有宽的带隙（约3.37 eV）、强的紫外光响应、高透明度和丰富的缺陷化学特性[[8], [9], [10], [11]]。此外，ZnO中的氧空位相关陷阱状态可以有效地调节载流子捕获、释放和持续光电导性，这些与突触功能（如兴奋性突触后电流（EPSC）、成对脉冲增强（PPF）和学习-遗忘行为）密切相关[[12], [13], [14]]。

同时，低温加工对下一代神经形态和光电子器件变得越来越重要。低的熱预算对于与柔性基底的兼容性、异构集成、后端生产线工艺和热敏感器件平台至关重要[[15], [16], [17], [18]]。尽管已经通过多种技术制备了ZnO薄膜，例如溶胶-凝胶处理、基于纳米颗粒的方法、溅射和其他溶液基方法，但在足够低的温度下实现均匀的薄膜质量和可控的缺陷状态仍然是一个重大挑战。C平面蓝宝石可以促进ZnO的优先（002）取向[19,20]，而通过等离子辅助MBE生长的ZnO也报道了类似的PPC和突触行为[21]，表明这些现象并非ALD独有。因此，需要一种能够在超低温条件下提供高薄膜均匀性、精确厚度控制、优异界面质量和可靠缺陷工程的沉积方法。原子层沉积（ALD）特别适合这一目的，因为它基于自限制表面反应，能够实现出色的厚度可控性、保形薄膜生长和高重复性[22]。更重要的是，ALD允许在相对较低的 temperatures 下沉积ZnO薄膜，同时仍保持良好的均匀性和可控的缺陷特性。在100°C以下的范围内，生长温度的微小变化会显著影响DEZn/H₂O表面反应、配体去除、表面扩散和原子重排。因此，较低的温度会产生更多的残留物种、结构无序和浅分布的陷阱，而较高的温度则促进Zn–O键合的改善、晶粒的发展和更能量明确的缺陷相关陷阱状态。这些差异直接影响载流子传输、PPC和突触保持。与其他沉积技术相比，ALD提供了一种更有效的途径，可以系统地调节与氧相关的和其他缺陷介导的陷阱状态，这些在持续光电导性和光电子突触行为中起着关键作用[23]。这些优势使得ALD特别适合于制造简单可靠的二端光电子突触器件，而无需额外的门结构。尽管有这些优势，但关于在极低温度（特别是100°C以下）下沉积的ZnO薄膜基光电子突触器件的研究仍然有限。特别是，对于100°C以下ALD生长如何影响基于ZnO器件的结构有序性、缺陷状态、光响应和突触可塑性的系统理解仍然缺乏[24]。在这项研究中，使用在100°C以下温度通过ALD生长的ZnO薄膜制造了Al/ZnO/Al光电子突触器件，并系统研究了生长温度对其结构、光学、电气和突触特性的影响。结果表明，即使在这个超低温范围内，也可以通过生长温度依赖性的结晶度、缺陷状态和载流子动态变化有效地调节突触行为，突显了100°C以下ALD生长的ZnO薄膜在未来低功耗和高集成度光电子神经形态系统中的强大潜力。虽然已经使用溶胶-凝胶、纳米颗粒和溅射方法报道了基于ZnO的光电子突触器件[14,[24], [25], [26]]，但本研究在三个关键方面有所不同。首先，ALD能够在低至40°C的温度下实现原子级控制的、自限制的生长，并精确调节缺陷状态——远低于传统的加工窗口[19]。其次，与依赖于沉积后退火或三端门调节架构的先前研究[8,12]不同，本研究表明在简单的两端Al/ZnO/Al结构中可以实现可调的突触行为，而无需任何热后处理。第三，系统性的40–90°C温度依赖性研究揭示了超低温ALD如何控制从非晶态、浅缺陷主导到多晶态、深陷阱主导的ZnO的转变，从而实现了可控的短期与长期突触可塑性[12]。

章节摘录

实验

通过原子层沉积（ALD）在c平面蓝宝石基底上沉积了ZnO薄膜。沉积前，基底依次用丙酮、异丙醇去离子水超声清洗，然后添加额外的酸清洗步骤以去除残留的有机物质和表面污染物。清洗后的基底在N₂流下干燥，然后立即放入ALD腔室。使用二乙基锌（DEZn）和H₂O作为Zn前驱体和氧化剂，

ALD生长的ZnO薄膜的生长温度依赖性形态和光学特性

图1(a)展示了通过ALD在c平面蓝宝石基底上沉积的ZnO薄膜的示意图。图1(b)显示了在40、55、70和90°C下生长的ZnO薄膜的AFM图像。随着生长温度的升高，表面晶粒尺寸略有但明显的增加，表明表面晶体发育逐渐增强。此外，根均值平方（RMS）粗糙度从40°C生长的薄膜的1.39 nm增加到

结论

在这项研究中，使用在40–90°C下通过低温原子层沉积在c平面蓝宝石上生长的ZnO薄膜成功制造了Al/ZnO/Al光电子突触器件，并系统研究了生长温度对其结构、光学、电气和突触特性的影响。随着生长温度的升高，ZnO薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度增加，光学带隙减小，深度吸收增强，更多

CRediT作者贡献声明

JunHyeong Park:撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，数据管理，概念化。JungBeen Cho:验证，方法论，调查，数据管理。SeungMin Song:验证，方法论，调查，数据管理。Seyeon Tak:验证，方法论，数据管理。Hyeon-Jong Kim:方法论，调查。Kyoung-Kook Kim:监督，方法论。Sung-Nam Lee:撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，资金支持

利益冲突声明

作者声明以下可能的潜在利益冲突：Sung-Nam Lee报告获得了韩国国家研究基金会的财务支持。Sung-Nam Lee报告获得了研发成果商业化促进机构的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响研究的财务利益或个人关系

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府（MSIT）资助（RS 2026–25478728）和研发成果商业化促进机构（COMPA）（由2024年技术大学管理促进（TLO创新））的支持。此外，本研究还得到了韩国技术大学，2026的研究资金支持。

JunHyeong Park|JungBeen Cho|SeungMin Song|Seyeon Tak|Hyeon-Jong Kim|Kyoung-Kook Kim|Sung-Nam Lee

韩国技术大学纳米与半导体工程系，Siheung，15073，韩国