东北师范大学马剑钢教授和李鹏副教授团队：基于Ga₂O₃的具有压电/光门控调制的光电突触用于多模态感知
由东北师范大学马剑钢教授和李鹏副教授的研究团队在学术期刊 IEEE Electron Device Letters 发布了一篇名为 Ga2O3-based optoelectronic synapse with piezo/photo-gated modulation for multimodal perception（基于 Ga2O3 的具有压电/光门控调制的光电突触用于多模态感知）的文章。
1. 项目支持
本研究部分由国家重点研发计划（2021YFA0716404）资助，部分由国家自然科学基金（12474164 和 62404038）资助， 部分由中国青年科学家基金（CPSF）博士后基金项目（项目编号：GZC20240240）资助，部分由中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号：2412024QD009和2412023QD004）资助，以及部分由吉林省教育厅科研项目（项目编号：JJKH20250300KJ）资助。
2. 背景
β-氧化镓（β-Ga2O3）是制造日盲紫外光电探测器的理想材料，而实现高响应度是其核心目标之一。光栅控效应是一种有效的增益机制，可以通过俘获一种载流子来延长另一种载流子的寿命，从而获得高响应度。 然而，传统的光栅控效应常常依赖于材料中响应缓慢的缺陷态，这导致器件响应速度非常慢，存在高增益和快速度之间难以调和的矛盾。压电效应是指某些材料在受到机械应力时会产生电场的现象。将这种压电场与半导体光电器件结合，有望通过外部机械应变来主动调控器件的光电性能。将 β-Ga2O3 与柔性压电衬底结合，探索利用压电场来增强光栅控效应，是开发新型、超灵敏柔性探测器的一个创新思路。
3. 主要内容
Ga2O3 凭借其对深紫外光（DUV）的高灵敏度和持久光导电性（PPC），可实现低功耗突触器件。然而，现有 Ga2O3 突触中 PPC 弛豫过程的可控性有限，限制了可调塑性。本研究提出了一种压电/光控调制型 Ga2O3/ZnO 突触器件，用于多模态感知。该器件在 254 nm 光脉冲作用下展现出可重构突触可塑性，包括成对脉冲促进、短时程至长时程可塑性转换以及动态权重调制。关键的是，压缩应变（-0.57%）使突触权重变化提升 22%（从 1076.3% 至 1310.2%），这归因于异质结界面处应变诱导的能带弯曲，该机制调控载流子分离与氧空位复合。这种应变调制行为为人体智能健康护理提供了可能性，其中心电图模式识别采用单层神经网络实现 83.5% 的准确率。本研究为开发具有集成感知-存储-处理功能的可调光电突触奠定了可行基础，可应用于人工触觉感知系统。
4. 研究亮点
● 首次提出并验证了利用压电场增强光栅控效应来提升光电探测器性能的新物理机制。
● 通过力-光-电的多物理场耦合，在柔性 β-Ga2O3 探测器中实现了创纪录的超高响应度。
● 器件的响应度可以通过外部施加的机械应变进行主动、连续地调控，展示了其作为多功能传感器的潜力。
图1. (a) Ga2O3/ZnO 突触器件的示意图。(b) Ga2O3/ZnO/ITO 薄膜的截面SEM图像。(c) Ga2O3/ZnO/ITO 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱。(d) Ga2O3 和 ZnO 薄膜的吸收曲线及其对应的带隙。(e) Ga2O3 薄膜和 (f) ZnO 薄膜的 O 1s XPS 光谱。
图2. (a) 在不同应变状态下施加 +1 V 偏压时的 I-t 曲线，以及采用双脉冲刺激的 I-t 曲线。 (b) 在不同应变状态下施加 +1 V 偏压时的 I-t 曲线，以及采用 15 脉冲刺激的 I-t 曲线。Ga2O3/ZnO 异质结在 (c) 压缩应变且光照条件下，以及 (d) 压缩应变且黑暗条件下的能带图。
DOI：
doi.org/10.1109/LED.2025.3590716
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