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专刊 | 半导体学报2023年第7期——超宽禁带氧化镓半导体专刊 (II) ：功率器件和DUV光电器件
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作为一种超宽带隙半导体材料，氧化镓(Ga2O3)因其优异的光电特性，在功率器件和DUV光学器件领域引起了广泛关注。一方面，Ga2O3具有高达8 MV/cm的临界击穿场强和3444的巴利加优值(BFOM)，是先进大功率器件领域极具潜力的候选材料。另一方面，由于Ga2O3的带隙直接对应于深紫外(DUV)波段，还可以广泛应用于DUV光电器件中。
为了概述Ga2O3领域的最新进展以及面临的机遇和挑战，我们特别邀请了西安电子科技大学韩根全教授、中国科技大学龙世兵教授、美国弗吉尼亚理工学院张宇昊教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王轶博助理研究员以及中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员担任特约编辑，组织了两期“超宽禁带氧化镓半导体”专刊，在《半导体学报》上连续刊载。第一期专刊主要介绍了Ga2O3薄膜外延技术的前沿进展及其在新型功率电子器件中的应用，已在第6期出版。本期专刊则重点聚焦于Ga2O3的功率器件和DUV光电器件及其在先进大功率电力电子器件中的应用，汇集了8篇研究论文、1篇综述及1篇评论与观点，在第7期出版。
由于β-Ga2O3难以获得稳定的p型结构，目前其主要用于肖特基二极管(SBDs)和场效应晶体管(FETs)等单极器件。自2010年初，β-Ga2O3 SBDs开始得到广泛的研究，发展迅速并取得了显著成果。而理解和阐释β-Ga2O3 SBDs的温度依赖特性和主要导电机制是提高SBD性能的关键。
M. Labed等人分析了不同温度下通过局域磁场溅射(CMFS) 方法制备的W/β-Ga2O3 SBDs，得到了包括肖特基势垒高度、理想因子、串联电阻和导通电阻在内的二极管变温参数。同时表明了界面位错对隧道电流的贡献，即在输运机制中，位错是导致隧道效应的主要原因。
然而缺乏p型β-Ga2O3是目前实现双极器件面临的主要困难。为了克服这一挑战，研究人员发现一种天然的p型氧化物—NiO，非常适用于β-Ga2O3功率器件。
韩婷婷等人报道了一种高性能NiO/β-Ga2O3垂直异质结二极管(HJDs)，这种二极管具有双层结端延伸(DL-JTE)，由两层长度不一的p型NiO组成。DL-JTE结构具备高击穿电压、低比导通电阻及高达5.98 GW/cm2的功率品质因数(PFOM)，为制备高性能的β-Ga2O3 HJDs提供了一种极具前景的方向。
蒋卓林等人基于实验研究了NiO/β-Ga2O3异质结栅场效应晶体管(HJ-FET)在不同栅极应力电压(VG,s)和应力时间(ts)下的不稳定机制，提出了器件在负偏压应力(NBS)下存在两种不同的退化机制，为研究NiO/β-Ga2O3异质结器件在功率器件应用中的可靠性提供了重要的理论指导。
为了充分利用β-Ga2O3的应用潜力，需要大面积结构以承载实际应用中的高通态电流，由此也对其在热效应及电路应用方面提出了较高的要求。
周选择等人报道了一种输出电流高达0.5 A的多指MOSFET。为了严谨地研究器件的自热效应，作者通过分析电学特性、器件散热特性以及器件温度和时间/偏压之间的关系，了解了热量的产生和耗散方式。
郭威等人提出了一种接触面积高达1 × 1 mm2的高性能大面积β-Ga2O3垂直SBDs，用于搭建高效DC-DC转换器。Ga2O3SBDs表现出优异的电学性能，包括良好的正向特性、低导通电阻(Ron)、高击穿电压及高达95.81%的转换效率，表明Ga2O3 SBDs及其相关电路在功率电力电子器件应用领域具有广阔的应用前景。
Ga2O3作为一种超宽带隙半导体，其带隙直接对应于DUV波段，为大幅度提高无滤波的DUV光电探测器的器件性能提供了新的方案。此外，其非晶态呈现出的持久光电导(PPC)效应为神经计算提供了新的应用前景。
陶佳佳等人报道了一种基于TiO2@GaOxNy-Ag三元异质结构的高性能紫外-可见光(UV-VIS)光电探测器。探测器表现出了优异的光电特性如出色的响应率和探测率等，主要是源于金属-半导体-金属异质结的II型能带结构和Ag的等离子体共振效应的协同作用。
Ga2O3柔性异质结型的DUV光电探测器表现出了优秀的日盲探测性能，使其成为智能可穿戴器件的理想选择。吴超等人通过在水凝胶衬底上构建PEDOT: PSS/Ga2O3异质结，设计制造了一个新型自供电、自修复的光电探测器。该光电探测器表现出了出色的自我修复能力和优越的光电性能，为未来发展可穿戴智能电子产品提供了新的可能。
光电突触和神经形态计算提供了一种不同于传统冯诺依曼架构的新结构，具有低功耗、高传输速率、宽带宽和安全性等优点。R. Li等人提出了一种多功能同质结光电突触(MOLS)，由Al/Ga2O3（缺氧）/Ga2O3（富氧）/ITO垂直结构组成，通过双波段波长光照调制模拟PPF和SNDP等生物突触行为。MOLS呈现出经验学习和逻辑门功能，为神经形态并行器件中的传感器端计算和并行计算铺平道路。
张永晖等人总结并讨论了β-Ga2O3的各向异性性质及其应用，全面地综述了包括光学带隙、拉曼光谱和发光光谱在内的各向异性光学特性。此外，还讨论了电子迁移率和电子亲和势的各向异性。最后，作者全面总结了β-Ga2O3的应用，重点讲述了β-Ga2O3偏振光探测器。
在评论与观点中，徐光伟等人对垂直β-Ga2O3功率器件的发展进行了深入讨论，涵盖各种表面/界面工程、多种边缘终端以及准反型垂直晶体管。文章进一步揭示了氧化镓功率器件目前面临的问题，如缺陷浓度高、大面积器件界面严重损坏、缺乏p型掺杂以及热导率低。通过氧退火/氮注入/原位外延构建电流阻挡层(CBLs)，可以最大限度地减小β-Ga2O3晶体管的穿通电流、提高击穿电压，作者最后重点说明了U-MOSFET可能是β-Ga2O3晶体管的出路。
我们很高兴与《半导体学报》的读者分享Ga2O3电子学领域的即时综述和前沿研究成果。同时衷心希望本期专刊能让读者深入了解Ga2O3功率器件和DUV光电器件近期进展及其面临的机遇与挑战。最后，我们衷心感谢所有作者为本期专刊做出的巨大贡献。
综述
1 氧化镓各向异性光电特性
β-氧化镓（β-Ga2O3）因具有超宽的禁带宽度（Eg = 4.9 eV）而被认为是继GaN和SiC之后的“第四代半导体”材料。β-Ga2O3目前已被广泛应用于日盲紫外探测器中，包括PN型、PIN型、Schottky型和光电导型多种器件结构。目前已报道的光响应度高达4000 A/W，响应时间低至12 ns。并且，β-Ga2O3的击穿场强高达8 MV/cm，Baliga优值达到3400，也是制备高压电子器件的理想材料。垂直结构的Schottky二极管已具有超过3000 V的高击穿电压，带有场板结构的β-Ga2O3 MOSFET达到了8.03 kV的超高击穿电压。除此之外，β-Ga2O3属于单斜晶系（空间群C2/m），具有较低的晶格对称性，因此在光学、光电、电输运、机械，导热和化学蚀刻等方面都具有丰富的各向异性特性，深入理解β-Ga2O3的各向异性性能对于可靠制备高性能器件具有十分重要的意义。
近日，山东理工大学张永晖课题组综述报道了β-Ga2O3各向异性光学和电学性能。β-Ga2O3各向异性性质根源于其低对称的晶格结构，作者首先详细论述了β-Ga2O3晶胞内Ga/O原子的不同占位，GaIO4四面体和GaIIO6八面体两条原子链，这是β-Ga2O3可以如二维材料一样被机械剥离的根本原因。然后，文章着重讨论了包括光学带隙，拉曼光谱，发光光谱在内的各向异性光学特性。介绍了偏振拉曼光谱的测试技术，结合β-Ga2O3的拉曼张量计算了三种不同模式下拉曼光谱的强度分布函数。最后，重点综述了日盲紫外偏振光探测器的相关研究进展，指出了三种偏振光探测器的工作机制并进行了理论分析。
β-Ga2O3各向异性特性丰富，深入理解并利用β-Ga2O3的各向异性性质，对于深度开发β-Ga2O3的器件应用具有重要意义。
该文章以题为“Anisotropic optical and electric properties of β-gallium oxide”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. β- Ga2O3的各向异性晶体结构。(a) β- Ga2O3的单位晶胞。(b) 具有GaIO4四面体和GaIIO6八面体链的2 × 2细胞。(c) β- Ga2O3纳米带机械剥离的工艺流程。(d) 典型β-Ga2O3纳米带的AFM结果。(e) β- Ga2O33晶格结构。(f) β-Ga2O3沿[44, 0, -5]方向的立体投影图，(g) 投影平面，(h) 电子衍射图，(i) 投影图。(j) β- Ga2O3沿[100]方向的立体投影图，(k) 投影平面，(l) 电子衍射图，(m) 投影图。
文章信息：
Anisotropic optical and electric properties of β-gallium oxide
Yonghui Zhang, Fei Xing
J. Semicond. 2023, 44(7): 071801 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/071801
研究论文
2 表面位错在W/β-Ga2O3肖特基二极管中的隧道效应
本文分析了不同温度下，通过局域磁场溅射法制备的W/β-Ga2O3肖特基二极管。首先，研究发现，随着温度从100 K升高到300 K，肖特基势垒高度逐渐升高，室温时达到1.03 eV。而理想因子随温度的升高而降低，但在100 K温度下仍然高于2。明显偏高的理想因子数值与隧道效应相关。其次，串联电阻和导通电阻随温度升高而减小。最后，通过隧穿电流揭示了界面位错的特性。较高的位错密度表明，位错导致的隧道效应在传输机制中起到主导作用。所有这些发现都将为设计性能更优异的器件提供助力。
该文章以题为“Tunneling via surface dislocation in W/β-Ga2O3 Schottky barrier diodes”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. W/β-Ga2O3 SBD的SEM截面图。
文章信息：
Tunneling via surface dislocation in W/β-Ga2O3 Schottky barrier diodes
Madani Labed, Ji Young Min, Amina Ben Slim, Nouredine Sengouga, Chowdam Venkata Prasad, Sinsu Kyoung, You Seung Rim
J. Semicond. 2023, 44(7): 072801 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072801
3 击穿电压2.83 kV, 功率品质因子5.98 GW/cm2的双层NiO/β-Ga2O3垂直异质p-n结二极管
由于p型掺杂技术缺乏，导致Ga2O3功率器件终端设计难度大。本文采用双层结终端扩展结构（DL-JTE）制备了高性能的NiO/β-Ga2O3垂直异质结二极管（HJDs），其双层结终端扩展结构由两层不同长度的p型NiO组成。底部60 nm p型NiO层完全覆盖β-Ga2O3表面，上层60 nm p型NiO层比方形阳极电极大10 μm。与单层JTE相比，双层JTE结构能有效抑制电场浓度，使击穿电压从2020提高到2830 V。此外，双层p型NiO允许更多空穴注入Ga2O3漂移层从而减小漂移电阻，比导通电阻从1.93降低到1.34 mΩ·cm2。采用DL-JTE结构的器件功率品质因子（PFOM）为5.98 GW/cm2，是传统单层JTE结构的2.8倍。这些结果表明，双层结终端扩展结构提供了一种制备高性能Ga2O3异质结二极管的可行方法。
图1. DL-JTE/ JTE器件的截面示意图。
图2. HJD的模拟电场分布:(a) JTE， (b) DL-JTE在-2020 V的偏置，(c) DL-JTE在-2830 V的偏置，以及(d-f)相应的电场随位置的分布。
文章信息：
2.83-kV double-layered NiO/β-Ga2O3 vertical p-n heterojunction diode with a power figure-of-merit of 5.98 GW/cm2
Tingting Han, Yuangang Wang, Yuanjie Lv, Shaobo Dun, Hongyu Liu, Aimin Bu, Zhihong Feng
J. Semicond. 2023, 44(7): 072802 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072802
4 NiO/β-Ga2O3异质结栅FET在负偏置应力下的不稳定性研究
超宽禁带β-Ga2O3具有高的临界击穿场强和巴利加优值，满足电源系统对更大功率、更高功率密度、更高转换效率的需求，在电力电子领域引起了极大的关注。然而，由于缺乏有效的P型掺杂，使得氧化镓功率器件的击穿电压和功率优值远低于理论极限。为了克服这一挑战并获得PN结器件的优势，已经研究出多种P型氧化物与n型β-Ga2O3异质集成，其中P型NiO因其较大的禁带宽度、掺杂可控而被广泛研究。然而，突变的NiO/β-Ga2O3异质结可能产生多种复杂的陷阱效应，并可能导致在负偏置应力(NBS)下的阈值电压(VTH)、电流等电学参数的退化。目前关于NiO/β-Ga2O3异质结器件在应力下的退化机制研究不足，这不利于其进一步的高功率应用。
近日，电子科技大学罗小蓉教授课题组联合中国科学技术大学微电子学院研究了NiO/β-Ga2O3异质结栅FET在不同栅极应力电压(VG,s)和应力时间(ts)下的不稳定机制，提出了器件在NBS下存在两种不同的退化机制。结果表明，应力施加会使得阈值电压漂移(∆VTH)轻微的正向移动，在恢复时间(tr) 1000 s后，VTH几乎恢复到初始值，观察到VG,s = -10 V比VG,s = -5 V导致更大的∆VTH。同时，应力导致的栅极关断电流退化随着tr的增加而逐渐恢复。由此推断出在低的VG,s和短的ts下，NiO中的体陷阱捕获和释放电子分别导致了电流的减少和恢复。此外，研究还发现退化机制在高VG,s下将发生变化，高的VG,s会导致∆VTH近乎永久性的负向移动，并没有观察到电学特性明显的恢复，这种现象在较低的VG,s和长的ts下也被观察到。这是因为异质结界面偶极子几乎永久性地被电离，产生的电子-空穴对分别与异质结处的空间电荷区的电离施主-受主结合，导致空间电荷区变窄。这项研究解释了NiO/β-Ga2O3异质结器件在NBS下的退化机制，并为NiO/β-Ga2O3异质结器件开发特色的可靠性加固技术提供理论指导。
该文章以题为“Experimental investigation on the instability for NiO/β-Ga2O3 heterojunction-gate FET under negative bias stress”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 在VG,s = -5 V和-10V，ts = 10 s测得的 (a) ∆VTH、(b) IGS, off退化率; (c) 在VG,s = -15 V和-20 V，ts = 10 s测得的∆VTH; (d) 在VG,s = -10 V, ts从0到1000 s的VG,s-IDS曲线变化及tr = 2000 s时的恢复情况。
文章信息：
Experimental investigation on the instability for NiO/β-Ga2O3 heterojunction-gate FETs under negative bias stress
Zhuolin Jiang, Xiangnan Li, Xuanze Zhou, Yuxi Wei, Jie Wei, Guangwei Xu, Shibing Long, Xiaorong Luo
J. Semicond. 2023, 44(7): 072803 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072803
5 大面积多指β-Ga2O3 MOSFET及其自热效应
β-Ga2O3是一种超宽禁带半导体材料，由于其4.8 eV的禁带宽度、8 MV/cm的高临界击穿场强以及3444的巴利加品质因数，被认为是下一代高功率应用的优选材料。然而，β-Ga2O3的一个材料特性的缺点是非常低的热导率（在300 K时为11-27 W/(m×K)），这使得器件在工作状态下导致严重的自热效应（SHE），影响器件的可靠性和稳定性。针对β-Ga2O3 场效应晶体管器件严重的自热效应，已经提出了一些解决方法，例如离子切割技术、转移到外来衬底和结构设计。新颖的测量方法也被用来表征β-Ga2O3 MOSFETs的瞬态温度分布。然而，大多数关于β-Ga2O3 MOSFETs的报告都集中在追求高的功率因数并探索新颖的结构，但实际应用需要大面积结构来满足电路应用需求。对于大面积结构，由于表面积-体积比较小，自热效应将比小尺寸器件更加严重，更加值得研究。
近日，中国科学技术大学龙世兵教授团队报道了输出电流达到0.5 A的多指结构的大面积β-Ga2O3 MOSFET。文章研究了其直流特性，并采用红外热成像技术来研究自热效应对多指β-Ga2O3 MOSFET的影响。通过提取瞬态温度分布的变化（图1）以及不同漏压下的热平衡温度（图2），得到了大面积多指β-Ga2O3 MOSFET产热与散热的规律。在8 V漏压下β-Ga2O3 MOSFET沟道中的最高温度达到了250 ℃，表明器件严重的自热效应。本研究工作首次对大面积β-Ga2O3场效应晶体管的自热效应进行了研究，对将来氧化镓的热管理方案的实施具有借鉴意义。
该文章以题为“A large-area multi-finger β-Ga2O3 MOSFET and its self-heating effect”发表在Journal of Semiconductors上。
图2. 热平衡状态下(a) 漏极电压为8伏特时的温度分布图像；(b) β-Ga2O3沟道中最高温度随施加漏极电压的变化关系曲线。。
文章信息：
A large-area multi-finger β-Ga2O3 MOSFET and its self-heating effect
Xuanze Zhou, Guangwei Xu, Shibing Long
J. Semicond. 2023, 44(7): 072804 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072804
6 大面积氧化镓肖特基势垒二极管及DC-DC转换器
功率器件及电路是电能转换系统的重要组成部分，同时，基于超宽禁带半导体的功率器件和电路更有潜力降低转换过程中的功率损耗。β-Ga2O3由于其约4.8 eV的宽带隙，8 MV/cm的高临界电场和3444的高Baliga品质因数，被认为在电力电子应用中具有很大的潜力。这些特性使得β-Ga2O3功率器件在高电压、高功率和其他领域具有广阔的应用前景。近十年来，β-Ga2O3器件特别是肖特基势垒二极管（SBD）发展迅速，其性能有了显著的提高，已接近SiC和GaN的性能。目前，大面积器件的工作主要集中在与边缘终端的结合上，而对于大电流应用的基线器件或称之为无终端SBD的研究较少。我们最近的工作表明，通过界面工程可以大大提高小面积SBD的性能，因此这是大面积器件的机会。无终端的高性能SBD可能更好地反映了Ga2O3 SBD的应用潜力。综上所述，Ga2O3 SBD在应用上更为成熟，其应用潜力也有待被进一步证明。
近日，中国科学技术大学龙世兵教授/徐光伟副研究员课题组通过干湿法相结合的表面处理工艺，实现了无终端结构的高性能大面积β-Ga2O3SBD，并实现了在DC-DC中的高效转换。他们在该工作中通过干法刻蚀去除外延层上表面的不可靠层，再通过湿法腐蚀修复刻蚀形成的损伤，之后再完成欧姆电极和肖特基电极的生长。制备完成的β-Ga2O3 SBD肖特基接触面积为1×1 mm2，具有8 A@5 V的良好的正向特性、0.46 Ω的低导通电阻和612 V的高击穿电压，器件性能处于先进水平。将该β-Ga2O3 SBD进行了TO-220的分立封装并用于搭建DC-DC转换器，在200 V的输入电压下，电路的转换效率达到了95.81%，取得了良好的电路性能。
无终端结构的β-Ga2O3 SBD器件及其电路可观的性能展现了其在电力电子领域具有极大的应用潜力，对β-Ga2O3 SBD器件及应用的发展具有重要的参考价值。
该文章以题为“Large-area β-Ga2O3 Schottky barrier diode and its application in DC-DC converter”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. β-Ga2O3 SBD的（a）横截面示意图、（b）正向导通特性和（c）反向击穿特性；（d）所制备的β-Ga2O3 SBD器件和已报道的大电流氧化镓肖特基二极管的性能对比。
图2. 基于β-Ga2O3 SBD的（a）DC-DC转换器原理图和（b）测试平台。β-Ga2O3 SBD基DC-DC转换器的（c）VGs、Vout、ID和（d）VGs、VD、ID测试波形曲线。
文章信息：
Large-area β-Ga2O3 Schottky barrier diode and its application in DC–DC converters
Wei Guo, Zhao Han, Xiaolong Zhao, Guangwei Xu, Shibing Long
J. Semicond. 2023, 44(7): 072805 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072805
7 等离子辅助增强的高性能TiO2@GaOxNy-Ag异质结光电探测器
氧化镓（Ga2O3 ）材料因其超宽的光学带隙、高的击穿场强、高的巴利加优值和优异的化学和热稳定性等优良特性为光电探测领域提供了独特的科研视角和广阔的应用前景。但是，其本征深紫外吸收边和制备方法带来材料本身的缺陷与杂质，都影响着光电过程中载流子的产生、分离和转移，这使得光电探测性能还不够理想，严重阻碍了其光电器件的实际应用。
近日，复旦大学卢红亮教授和刘文军研究员团队报道了TiO2@GaOxNy-Ag高性能紫外-可见光金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器。该团队基于原子层沉积实现了Ga2O3纳米薄膜可控的N掺杂及界面修正，并结合一维TiO2纳米阵列的优势及Ag贵金属表面等离子激元共振效应（SPR）设计了TiO2@GaOxNy-Ag新型异质结，重点研究了TiO2@GaOxNy-Ag异质结构与光电探测性能之间的构效关系。结果表明，TiO2@GaOxNy-Ag探测器在580 nm的响应率是380 nm处的4倍，同时在探测率及响应时间等核心性能指标上均优于单一结构的TiO2及Ga2O3探测器。该异质结优异的光电探测性能主要源于TiO2@GaOxNy的II型能带结构和Ag颗粒SPR效应的协同作用。这不仅增加了光的吸收率，还促进了光生载流子有效的分离，同时一维核壳异质结纳米线阵列为光电过程提供大的接触面积，也为光生载流子的传输与分离提供直接的路径。此外，实验结果也得到了FDTD模拟和计算的有力支撑。
基于TiO2@GaOxNy-Ag异质结的MSM探测器为高性能光电转换器件的设计提供了独特的路径，将助力Ga2O3基器件在传感探测及成像显示等领域的应用。
该文章以题为“Surface plasmon assisted high-performance photodetectors based on hybrid TiO2@GaOxNy-Agheterostructure”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Surface plasmon assisted high-performance photodetectors based on hybrid TiO2@GaOxNy-Ag heterostructure
Jiajia Tao, Guang Zeng, Xiaoxi Li, Yang Gu, Wenjun Liu, David Wei Zhang, Hongliang Lu
J. Semicond. 2023, 44(7): 072806 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072806
8 基于PEDOT: PSS/Ga2O3 异质结的自供电、自修复日盲紫外探测器
近年来，日盲紫外探测器因其背景干扰弱、错误预警率低，有望应用于生物、医学和民用等领域。宽带隙半导体材料被认为是制备日盲紫外探测器的热门选择。氧化镓（Ga2O3）具有带隙宽（4.9 eV）、吸收系数大等特点，其截止波长约为250 nm，是一种非常有前途的日盲紫外探测器材料。目前已报道的Ga2O3基紫外光电探测器通常都制备在硬性衬底上，不具有机械柔韧性，这极大地限制了Ga2O3日盲紫外探测器在透明、可穿戴和可折叠等新兴电子领域中的应用。自修复的设备可以在发生意外破坏时自动恢复，从而可以有效地延长设备的使用寿命。因此，它们具有更强的耐用性和更低的更换成本。
近日，浙江理工大学郭道友特聘教授课题组通过在可自修复的水凝胶衬底上构建PEDOT: PSS/Ga2O3异质结，构建了一个自供电、自修复的光电探测器。该装置使用琼脂糖/聚乙烯醇（PVA）双网络（DN）水凝胶衬底，这种水凝胶具有可逆的特性，当断裂的水凝胶接触时，氢键能够迅速重新形成。在约30秒钟的时间内，水凝胶的切口可以完全愈合，使光电探测器能够在损坏后恢复其原始的结构和功能。该光电探测器光吸收层由PEDOT: PSS/Ga2O3异质结构成。由于PEDOT: PSS和Ga2O3之间的费米能级差异，电子会从PEDOT: PSS流向Ga2O3，直到达到热平衡。在两种材料的界面形成一个耗尽区域，能够有效地抑制暗电流，从而提高设备的探测能力。在光照下，Ga2O3层中的光生电子将在内建电场的作用下流向银纳米线（Ag NW）电极。同时，光生空穴将被吸引并通过PEDOT: PSS层到达电极。因此，即使在没有外加电压的情况下，该光电探测器也对254 nm的日盲紫外光展现出了0.24 mA/W的光响应度。
本文展示了可作为电子皮肤应用的可穿戴式日盲紫外光电探测器。成功赋予了该设备自供电、出色的机械强度和出色的自我修复能力，在下一代智能设备的应用中有巨大潜力。
该文章以题为“Self-healing wearable self-powered deep ultraviolet photodetectors based on Ga2O3”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. (a) 琼脂糖/聚乙烯醇水凝胶的自愈过程。(b) 琼脂糖/聚乙烯醇水凝胶的自愈机制。(c) 在-80℃条件下，添加或不添加LiCl水凝胶样品的抗冻性能。(d) LiCl提高在琼脂糖/聚乙烯醇水凝胶锁水能力机制。
图2. (a) PEDOT: PSS/Ga2O3光电探测器的I-V曲线。(b) PEDOT: PSS/Ga2O3光电探测器在0 V和254 nm激光照射下的I-t曲线。(c)不同光强密度下 PEDOT: PSS/Ga2O3光电探测器的光电流和响应度。(d) PEDOT: PSS/ Ga2O3异质结的能带图。
文章信息：
Self-healing wearable self-powered deep ultraviolet photodetectors based on Ga2O3
Chao Wu, Huaile He, Haizheng Hu, Aiping Liu, Shunli Wang, Daoyou Guo, Fengmin Wu
J. Semicond. 2023, 44(7): 072807 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/072807
9 非晶氧化镓同质结基的光电子突触用于多功能信号处理
在大数据时代，用于准确识别和信息处理的智能算法的优化和更新正在迅速发展。然而，硬件设备发展的滞后性导致了复杂任务处理过程中功耗和速度提高的瓶颈。其主要原因是摩尔定律的逐渐失效和传统冯诺依曼计算范式的阻碍。目前，感知-记忆集成的计算策略作为一种有效解决方案似乎能够打破上述障碍。受人脑的启发，对突触这一基本单元的模拟为实现上述解决方案提供了可能性。目前，一些优秀的工作集中在由电、光以及其他信号调控的人工突触的实现上。然而，不管是单一的电信号还是单波长的光信号，都极大地限制了光电器件的并行处理能力以及未来的智能应用场景。因此，扩展可调谐信号的种类和操作范围，从而拓宽突触装置处理多种类型任务能力的需求迫在眉睫。
近日，北京理工大学沈国振教授课题组与山东大学李阳教授课题组合作提出了一种由Al/Ga2O3（OR）/Ga2O3（OD）/ITO组成的多功能光电突触（MFOS）器件。在此项工作中，组成器件的主要功能双层是在不同的实验条件下由相同的材料溅射而成，这无疑大大简化了器件制备的复杂性。与此同时，双层薄膜中被引入了一定量的缺陷，并且在同质结中形成的能带差以及持续的光电导效应的作用下，电信号和光信号能够分别诱导MFOS表现出丰富的电突触和光突触行为。进一步地，鉴于人工突触器件对单波长（254 nm）光信号频率良好的敏感性，光突触模式下的高通滤波和小规模视觉阵列两个功能被成功开发。不仅如此，得益于双层同质材料光吸收范围的差异，MFOS允许同时响应多种波长的信号。这种多波长光信号的调制方式赋予了突触器件经验学习的能力，并且翻转读取电压后的逻辑门功能也被成功拓展。
综上所述，本工作实验性地证明了一种多功能集成的一体化光电子突触，此器件在提高未来神经形态计算效率的同时将有望拓宽未来人工智能的应用场景。
该文章以题为“Amorphous gallium oxide homojunction-based optoelectronic synapse for multi-functional signal processing”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 器件设计与相关突触性能。（a）MFOS器件的结构示意图。（b）截面SEM图像。（c）Ga2O3（OD）和Ga2O3（OR）的载流子分布的能带示意图。（d） 生物突触传递神经信号的示意图。（e）负电压和（f）正电压下的连续扫描曲线结果图。（g） MFOS器件在光信号下的示意图。器件在（h）365 nm和（i）254 nm的光信号下的不同光突触响应行为。
图2. 多功能信号处理能力。（a）MFOS高通滤波效果图。（b）基于MFOS的视觉系统在不同强度和频率的光照下的感知与记忆能力。（c）双波段光信号下巴甫洛夫联想学习行为的模拟。（d）双波段光信号下IMP逻辑门的实现。
文章信息：
Amorphous gallium oxide homojunction-based optoelectronic synapse for multi-functional signal processing
Rongliang Li, Yonghui Lin, Yang Li, Song Gao, Wenjing Yue, Hao Kan, Chunwei Zhang, Guozhen Shen
J. Semicond. 2023, 44(7): 074101 doi: 10.1088/1674-4926/44/7/074101
https://wap.sciencenet.cn/blog-3406013-1400943.html
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