由集美大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Materials Chemistry C 發(fā)布了一篇名為 Na-doped Ga₂O₃ electrolyte-gated synaptic transistors for neuromorphic computing（用于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的 Na 摻雜 Ga₂O₃ 電解質(zhì)柵控突觸晶體管）的文章。

1. 團(tuán)隊(duì)介紹

許望穎，博士，集美大學(xué)教授，國際先進(jìn)材料協(xié)會會士（IAAM Fellow）。2009年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)，2012年碩士畢業(yè)于中國科學(xué)院寧波材料所，2015年博士畢業(yè)于香港中文大學(xué)。2015-2016就職于香港科技大學(xué)納米及先進(jìn)材料研發(fā)院，2016-2022年就職于深圳大學(xué)，2022年調(diào)入集美大學(xué)。獲國際先進(jìn)材料協(xié)會會士（2025年），廣東省珠江人才計(jì)劃青年拔尖人才（2018年），福建省高層次人才（2022年）等稱號。長期從事具有產(chǎn)業(yè)化前景的寬禁帶氧化物薄膜與器件研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文近100篇，發(fā)明專利20項(xiàng)，論文總引用近3000次，H因子30。擔(dān)任 Nat. Electron.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等近20個國際主流期刊審稿人。

2. 背景

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算作為一種旨在突破傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)瓶頸的新型計(jì)算范式，對能夠高效模擬生物突觸功能的電子器件提出了迫切需求。在眾多候選材料中，氧化鎵（Ga₂O₃）憑借其超寬禁帶、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和獨(dú)特的光電特性，在構(gòu)建人工突觸器件領(lǐng)域展現(xiàn)出新興的應(yīng)用潛力。然而，以往基于 Ga₂O₃ 的神經(jīng)形態(tài)研究主要集中在兩端憶阻器結(jié)構(gòu)，這類器件在模擬復(fù)雜的突觸功能時，面臨著如潛行路徑電流、功能可控性差以及大規(guī)模集成困難等固有挑戰(zhàn)。為解決這些局限性，研究人員將目光投向了三端突觸晶體管，旨在通過引入一個獨(dú)立的控制端（柵極）來實(shí)現(xiàn)對器件電導(dǎo)的精確動態(tài)調(diào)控。三端突觸晶體管作為模擬生物突觸功能的重要器件，特別是其中的電解質(zhì)門控突觸晶體管（EGSTs），通過離子在電場下的遷移來調(diào)制溝道，其工作機(jī)制與生物突觸高度相似，在實(shí)現(xiàn)高保真度的突觸可塑性方面展現(xiàn)出巨大潛力。研究表明，通過對 Ga₂O₃ 材料進(jìn)行離子摻雜（如本文中的鈉離子），可以有效調(diào)控其作為電解質(zhì)的功能，從而精確模擬從短期記憶到長期記憶的多種突觸行為，為構(gòu)建高性能、低功耗的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)開辟了新的途徑。

3. 主要內(nèi)容

系統(tǒng)研究了通過低溫水溶液法制備的鈉離子（Na⁺）摻雜氧化鎵（Ga₂O₃）三端電解質(zhì)柵控突觸晶體管的神經(jīng)仿生特性及其工作機(jī)制。研究采用了全面的電學(xué)測試方法，包括電容-頻率（C-f）測量、脈沖響應(yīng)分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）仿真，以闡明鈉離子遷移對溝道電導(dǎo)的調(diào)制機(jī)理以及其在模擬生物突觸可塑性中的關(guān)鍵作用。結(jié)果表明，適度的鈉離子摻雜（20%）能夠使 Ga₂O₃ 層表現(xiàn)出顯著的電解質(zhì)特性，在外加電場下，離子的遷移與重新分布形成了強(qiáng)大的雙電層（EDL）耦合效應(yīng)，這是實(shí)現(xiàn)突觸功能的核心。器件成功模擬了多種關(guān)鍵的生物突觸行為，包括興奮性/抑制性突觸后電流（EPSC/IPSC）、短期/長期記憶（STM/LTM）、脈沖配對可塑性（PPF/PPD）以及高通濾波等。此外，通過調(diào)控突觸前脈沖的頻率和數(shù)量，該研究實(shí)現(xiàn)了從短期記憶向長期記憶的平滑過渡，并在 MNIST 手寫數(shù)字識別仿真中達(dá)到了 87.8% 的高準(zhǔn)確率。這項(xiàng)工作不僅驗(yàn)證了鈉離子摻雜策略的有效性，也為開發(fā)低成本、高性能的 Ga₂O₃ 基神經(jīng)形態(tài)計(jì)算器件提供了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

（a）首次報道了基于鈉離子摻雜氧化鎵（Na-Ga₂O₃）的三端電解質(zhì)柵控突觸晶體管。

（b）創(chuàng)新性地利用 Na⁺ 離子在電場下的遷移來模擬生物突觸的信號傳遞與記憶功能。

（c）全面模擬了多種關(guān)鍵的突觸可塑性，包括短期記憶（STM）、長期記憶（LTM）以及二者之間的轉(zhuǎn)換。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真中驗(yàn)證了器件的高性能，手寫數(shù)字識別準(zhǔn)確率達(dá)到 87.8%，展示了其在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

（d）實(shí)現(xiàn)了低成本、低溫（250°C）的水溶液制備工藝，具有良好的環(huán)境友好性和工藝兼容性。

5. 結(jié)論

本研究采用低溫水溶液法成功制備了基于鈉離子摻雜氧化鎵（Na-Ga₂O₃）的電解質(zhì)柵控突觸晶體管，并對其神經(jīng)形態(tài)計(jì)算功能和內(nèi)在物理機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)探索，以闡明鈉離子在電場下的遷移對器件突觸可塑性的調(diào)制作用。結(jié)果表明，通過精確控制鈉離子的摻雜濃度，可以有效調(diào)控 Ga₂O₃ 層的電解質(zhì)特性，從而實(shí)現(xiàn)對溝道電導(dǎo)的精確模擬。電學(xué)特性分析表明，器件成功模擬了多種關(guān)鍵的生物突觸功能，包括興奮性/抑制性突觸后電流（EPSC/IPSC）、短期/長期記憶（STM/LTM）以及脈沖配對可塑性（PPF/PPD）等。高分辨率的電學(xué)脈沖測試進(jìn)一步證實(shí)，通過改變突觸前脈沖的幅值、寬度和頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)對突觸權(quán)重（即溝道電導(dǎo)）的精細(xì)調(diào)控，并模擬了從短期可塑性向長期可塑性轉(zhuǎn)換的學(xué)習(xí)過程。最后，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真，器件在 MNIST 手寫數(shù)字識別任務(wù)中表現(xiàn)出高達(dá) 87.8% 的準(zhǔn)確率，驗(yàn)證了其在復(fù)雜模式識別中的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)全面的研究不僅提出了一種新穎的器件結(jié)構(gòu)和材料體系，也為開發(fā)低成本、高性能、環(huán)境友好的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)極大地拓展了氧化鎵材料在先進(jìn)計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并為設(shè)計(jì)新一代智能電子器件提供了重要的科學(xué)指導(dǎo)。

圖1.（a）生物突觸示意圖。（B）Na摻雜Ga₂O₃ EGST的器件結(jié)構(gòu)。（c）不同Na摻雜濃度的Al/Na摻雜Ga₂O₃/p⁺⁺ Si MIM器件的C-f特性。不同Na摻雜比例（d）0%，（e）10%，（f）20%，（g）30%的Na摻雜Ga₂O₃ EGST的轉(zhuǎn)移曲線。

圖2. Na摻雜Ga₂O₃ EGST中Na⁺遷移的示意圖（a）小的正尖峰;（B）較大的正尖峰;（c）負(fù)尖峰。

DOI：

doi.org/10.1039/D5TC01248A

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號