【会员论文】西电郝跃院士、常晶晶教授、张进成教授与南京大学李昀教授团队---基于宽禁带 Ga₂O₃ 的多功能光电忆阻器

        近日，由西安电子科技大学郝跃院士、常晶晶教授、张进成教授与南京大学李昀教授的研究团队在学术期刊 light: science & applications 发布了一篇名为 Versatile optoelectronic memristor based on wide-bandgap Ga₂O₃ for artificial synapses and neuromorphic computing（基于宽禁带 Ga₂O₃ 的多功能光电忆阻器，用于人工突触和神经形态计算）的文章。

        该项研究得到了国家重点研发计划（2021YFA0715600、2021YFA0717700、2018YFB2202900）、国家自然科学基金（52192610、62274127、62374128、62304167）、2023年度秦创原建设两链融合重大专项项目（23LLRH0043）、陕西省重点研发计划（2024GX-YBXM-512）、中科院基础研究青年科学家项目（YSBR-113）的资助、 红外物理国家重点实验室开放基金（SITP-NLIST-ZD-2023-03）、松山湖材料实验室开放研究基金（2023SLABFN02）、芜湖和西安电子科技大学产学研合作专项基金（XWYCXY-012021004）、中国博士后科学基金（2023TQ0255）、中央高校基本科研业务费和西安电子科技大学创新基金。

        随着信息技术发展，对芯片计算能力和能效的需求日益增长，以应对海量数据的处理需求。传统的冯·诺依曼架构将计算与存储功能分离，面临“存储墙”瓶颈，限制了算力效率。而神经形态计算模仿人脑结构，在同一系统中实现存储和处理，是未来计算系统发展的重要方向。忆阻器（memristor）因具备非易失性、低功耗、尺寸小、多级电阻状态等特性，在此类系统中发挥关键作用。然而，现有基于氧化物、二维材料、有机材料的忆阻器在响应波段、稳定性与抗环境性方面存在不足。该团队指出，宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）具备优异的电学、光学和辐射稳定性，是理想的光电忆阻器材料，尤其适合用于日盲紫外光感知、空间环境和视觉感知等应用。尽管已有基于 Ga₂O₃ 的光电探测器或忆阻器用于模拟神经视觉系统或实现电学突触功能的研究，但在单个 Ga₂O₃ 忆阻器器件中集成数据存储、光学感知和多种突触功能仍然是一个挑战。

        光电忆阻器具备数据存储和模拟人类视觉感知的能力，在神经形态视觉系统（NVs）中展现出巨大的潜力。该研究介绍了非晶态宽带隙 Ga₂O₃ 光电突触忆阻器，通过调整电流合规度（I_cc）以及利用可变的紫外线（UV-254 nm）光强度实现了 3-bit 位数据存储。利用电压极性和紫外线作为输入信号，在忆阻器辅助逻辑（MAGIC）中实现了“AND”和“OR”逻辑门。该器件还表现出高度稳定的突触特性，如成对脉冲易化（PPF）、脉冲强度依赖性可塑性（SIDP）、脉冲数量依赖性可塑性（SNDP）、脉冲时间依赖性可塑性（STDP）、脉冲频率依赖性可塑性（SFDP）以及学习经验行为。最后，当集成到人工神经网络（ANN）中时，Ag/Ga₂O₃/Pt 忆阻器器件以高模式精度（90.7%）模拟了光脉冲增强和电脉冲抑制。具有多功能特性的单个忆阻器单元是光电子存储器、神经形态计算和人工视觉感知应用的有前景的候选器件。

        器件制备：

        通过射频（RF）溅射在 300 K 下制备了作为有源开关层的 Ga₂O₃ 薄膜。在整个溅射过程中，功率和气压分别为 120 W 和 0.6 Pa。氮气和氧气的流量分别调整为 45 sccm 和 5 sccm。器件中所用 Ga₂O₃ 薄膜的厚度为 60 nm。银电极呈圆形，半径为 50 µm。

        表征与测量：

        采用原子力显微镜（AFM）对表面形貌进行分析。通过 X 射线光电子能谱仪(XPS)确认 Ga₂O₃ 薄膜的化学成分。利用 X 射线衍射仪（XRD）分析 Ga₂O₃ 薄膜的晶体结构。使用紫外 - 可见分光光度测量薄膜的吸收光谱。在暗态和 254/365 nm光照射条件下，利用半导体参数分析仪研究器件的电子和光电子特性。紫外光和脉冲由 LED 控制器产生。

        人工神经网络（ANN）模拟：

        为了探究光电子引入的突触行为，研究团队利用一个基本的人工神经网络（ANN）进行图像识别。在 MATLAB 中复现了对神经形态视觉系统的研究工作。训练数据集源自经过修改的美国国家标准与技术研究院（MNIST）数据库，这是一个包含大量手写数字的大型集合，常用于训练各种图像处理系统。

        ·首次在单个基于非晶 Ga₂O₃ 的忆阻器器件中，集成了多种功能：多级存储、可重构逻辑门、光控人工突触和神经形态计算能力。

        ·展示了利用电学（电流顺应性、电压极性）和光学（紫外光强度、光脉冲）两种手段协同调控器件状态，以实现不同功能模式（存储、逻辑、突触）。

        ·通过结合电学顺应性控制（设置 LRS）和光学强度控制（设置 HRS），实现了可靠的 3-bit 多级存储。

        ·全面演示了 Ga₂O₃ 忆阻器在光学脉冲刺激下的多种人工突触可塑性行为。

        ·将器件的光电响应特性成功应用于 ANN 模拟，并获得了高精度的 MNIST 图形识别率（90.7%）。

        研究团队展示了基于宽禁带 Ga₂O₃ 的光电突触忆阻器，该器件集成了数据存储、光突触、逻辑门和神经形态计算功能。通过改变 I_cc 和 254 nm 的紫外线强度，研究了该器件的忆阻开关能力。通过改变输入电压的极性，该忆阻器能够执行 AND 和 OR 两种逻辑门的功能。该器件还展示了持续的突触特性，如脉冲配对增强（PPF）、短间隔双脉冲抑制（SIDP）、长间隔双脉冲抑制（SNDP）、长时程增强（STDP）和短时程增强（SFDP）。当暴露于紫外线时，该器件展示了高级突触特性，如长时程记忆（LTM）、短时程记忆（STM）和学习-遗忘-再学习。此外，在人工神经网络模拟中，所制备的器件能够实现高模式精度（90.7%）。光电存储和突触学习行为的集成功能使其成为未来内存计算系统的潜在候选者。

图 1. 电阻式存储器的器件特性。（a）不同 I_cc 下 Ag/Ga₂O₃/Pt 器件的典型 I-V 曲线。（b）不同 I_cc 下高阻态（HRS）和低阻态（LRS）80 个循环的电阻分布。（c）暗态、254  nm 光和 365 nm光下的 I-V 曲线。（d）I_cc = 1 mA 时不同 UV（254 nm）强度下 Ag/ Ga₂O₃/Pt 器件的典型 I-V 曲线。（e）不同 UV（254 nm）强度下高阻态（HRS）和低阻态（LRS）20 个循环的电阻分布。（f）八种不同电阻状态的保持特性。（g）不同 I_cc 下非易失性和易失性的共存。（h）I_cc = 1×10^-6 A 时 20 次扫描循环的 I-V 曲线。（i）V_th 和 V_hold 的累积概率统计。

图 2. 学习-遗忘-再学习行为。 (a) “学习-遗忘-再学习”行为的示意图。 (b) 七轮循环下的学习-遗忘-再学习行为。 (c) 在紫外线脉冲（254  nm）刺激下测量的“学习经历”行为。光强度：1.8 mW cm^–2，脉冲宽度：3 秒，脉冲间隔：3 秒

DOI：

doi.org/10.1038/s41377-025-01773-6