【会员论文】复旦大学：等离子体增强原子层沉积制备非晶InHfZnO/Ga₂O₃ 异质结及其用于透明光电突触器件的温度可调机制分析

        由复旦大学孙清清教授的研究团队在学术期刊Optics Letters发布了一篇名为Amorphous InHfZnO/Ga₂O₃ heterojunction by plasma-enhanced atomic layer deposition for transparent photoelectric synaptic devices with temperature-tunable mechanism analysis（等离子体增强原子层沉积制备非晶 InHfZnO/Ga₂O₃  异质结及其用于透明光电突触器件的温度可调机制分析）的文章。

        近年来，许多先进的光学材料被应用于光电突触器件，包括铟基氧化物半导体、铪基氧化物电介质绝缘体、二维材料以及第四代半导体 Ga₂O₃。为了进一步提高突触器件的性能，这些材料被广泛整合到异质结结构中，以发挥各材料的优势。此外，为了扩展光电突触器件的应用，基于这些光学材料的透明器件已在特定场景（如隐形器件和增强现实技术）中得到探索。在上述材料中，铟基氧化物通常表现出优异的导电性和有效的紫外吸收特性，而 Ga₂O₃ 是一种极具前景的光电材料，广泛应用于性能优越的日盲光电探测器，且两者在可见光区域均显示出极佳的透明度。对于铟基氧化物， Zn 是增强薄膜稳定性和紫外光吸收的关键掺杂剂，因为其离子半径与铟相似；而 Hf 作为常用掺杂剂，其 Hf-O 键的离解能在所有掺杂剂中最高，两者共同促成了铟铪锌氧化物薄膜的开发。利用先进的等离子体增强原子层沉积技术，可以沉积出高均匀性、高保形性且热预算低的 Ga₂O₃ 和 InHfZnO 薄膜，为高性能光电突触器件铺平了道路。

        人工光电突触器件在神经形态计算领域展现出低功耗、高速度的显著优势。通过集成光探测与存储功能，这类器件为解决冯・诺依曼架构的瓶颈问题提供了极具潜力的研究方案。本文采用等离子体增强原子层沉积技术，制备了基于非晶铟铪锌氧/氧化镓（InHfZnO/Ga₂O₃）异质结的透明光电突触器件，并利用多种表征手段对该异质结进行了全面表征。针对所制备的器件，在不同光照条件与温度下，系统地表征与评估了其关键突触特性，包括短时可塑性（STP）、双脉冲易化（PPF）以及长时可塑性（LTP）。基于器件性能随温度的变化规律，从氧空位浓度演变的角度分析了其温度可调机制。

        ● 首次将非晶铪铟锌氧与第四代半导体氧化镓结合构建异质结，充分整合两种材料的优势。

        ● 利用等离子体增强原子层沉积技术制备 InHfZnO/Ga₂O₃ 异质结，实现了薄膜的高均匀性、高保形性和低热预算沉积。

        ● 所制备的透明光电突触器件可有效模拟人类视觉突触行为，核心突触性能指标表现优异。

        ● 首次针对该类透明光电突触器件开展常温、37℃（人体温度）、50℃ 多温度下的系统表征，明确了温度对器件性能的调控规律。

        本研究采用等离子体增强原子层沉积技术，制备了基于非晶铪铟锌氧/氧化镓异质结的透明光电突触器件，并对其开展了全面的表征测试。通过 X 射线光电子能谱、透射电子显微镜、X 射线衍射及光学表征手段，证实所制备的异质结具备优良的结构、化学态与光学性能，适用于光电突触器件的制备应用。电学与光电特性测试表明，该器件性能表现良好，可有效模拟人类视觉突触的工作行为，其双脉冲易化指数超过 170% 。研究还在更高温度条件下对器件进行了光电表征，发现器件性能具有温度依赖性：温度升高会使器件光电流增大，但记忆保持时间缩短。本研究结合氧空位浓度的变化规律，通过原位 X 射线光电子能谱氧 1s 轨道表征，分析揭示了器件光电性能随温度调控的内在机制。