南京大学叶建东教授,万昌锦副教授 NSR:基于铁电氧化镓的类天体神经形态器件

2026-06-29 05:19:05

航天电子设备需在强辐射、极端温度下高效处理天体光变曲线等时序信号，但传统分离式感存算架构延迟大、能耗高，且宽禁带半导体器件缺乏内在计算能力。本文提出基于κ-Ga₂O₃的传感器内储层计算系统（κ-ISRC），利用κ-Ga₂O₃的铁电性及与AlGaN/GaN异质结集成的铁电高电子迁移率晶体管（FeHEMT），在同一平台上实现深紫外（DUV）传感、短时/长时记忆和神经形态计算。通过原子滑移机制证实了κ-Ga₂O₃的面外铁电翻转，并利用其负电容效应实现亚60 mV/dec开关。器件可在−270°C至210°C及高能离子辐照下稳定工作，最终在四类天体活动（食双星、激变变星、不规则变星等）识别中达到95%准确率。

二、研究要点

κ-Ga₂O₃铁电性实验证实：通过PFM蝴蝶形振幅和相位回滞、P-E回线（P_r≈2.5 μC/cm²）及AIMD模拟，揭示极化翻转源于Ga沿[100]方向原子滑移（位移0.65 Å），而非施加电场方向（[001]）。
负电容与超陡亚阈值摆幅：Al₂O₃/κ-Ga₂O₃栅堆叠产生负电容效应，最小SS达13.8 mV/dec，平均SS 50 mV/dec，ON/OFF比~10⁸，突破玻尔兹曼极限。
可重构存储行为：低栅压（<5 V，亚矫顽场）时界面电荷俘获/去俘获主导，实现短时记忆（STM），适配储层节点；高栅压（>20 V）时铁电翻转，实现长时记忆（LTM）和多级电导状态，用作读出层突触。
极端环境耐受性：器件在−270°C至210°C宽温区内转移特性稳定；经¹⁸¹Ta离子辐照（通量1×10⁴ rad/s，总剂量1×10⁷ rad）后，最大迁移率下降<11%，泄漏电流无明显增加。
天体活动识别：DUV传感器（261 nm）将光变曲线转为电信号，经FeHEMT（STM模式）提取储层状态，再通过FeHEMT（LTM模式）三层神经网络分类，准确率达95%，收敛速度优于无储层对照。

三、研究方法

器件制备：在SiC(0001)上MOCVD生长AlGaN/GaN异质结（25 nm Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N / 2 μm GaN）。采用雾化学气相沉积（mist-CVD）选择性外延50 nm κ-Ga₂O₃（710°C，GaCl₃前驱体），再ALD沉积10 nm Al₂O₃，最后电子束蒸发Ni/Au栅电极。源漏欧姆接触为Ti/Al/Ni/Au，840°C快速热退火。
结构与物性表征：STEM、HRTEM、EDS分析界面与成分；XRD、AFM评估结晶质量和表面粗糙度；PFM测量铁电响应；P-E回线由铁电测试仪获得。
电学测试：Keithley 2636A/4200-SCS测量转移/输出特性、SS、存储行为。温度依赖性在液氮至210°C探针台测试。辐射实验：¹⁸¹Ta离子辐照，平均通量1×10⁴ rad/s，总剂量1×10⁷ rad。
理论计算：AIMD（CP2K，DFT，DZVP-MOLOPT-SR-GTH，2×2×2超胞，320原子，300 K NVT系综）施加0.26 V/nm沿[00-1]方向电场，模拟极化翻转路径和原子位移。

四、图文内容

图1. 基于κ-Ga₂O₃的可重构传感器内储层计算（κ-ISRC）系统示意图。(a) 基于宇宙射线光变曲线的食双星系统探测与信号处理。(b) 食双星系统光变曲线示意图。(c) 不同天体活动代表性光变曲线。(d) κ-ISRC系统工作流程：从使用κ-Ga₂O₃深紫外传感器进行光探测，到通过FeHEMT储层和全连接神经网络输出层进行储层状态收集与标签推断。(e) κ-Ga₂O₃栅控FeHEMT结构示意图。(f) 施加方波脉冲时储层计算的时序动力学。(g) κ-Ga₂O₃栅控FeHEMT中突触权重更新示意图。

图2. κ-Ga₂O₃的结构表征和铁电极化特性及其在AlGaN/GaN异质结构上的集成。(a) κ-Ga₂O₃外延层上FeHEMT的栅极和沟道结构横截面示意图。(b) 栅极和沟道结构的横截面STEM图像。(c) κ-Ga₂O₃/AlGaN界面的HRTEM图像。(d) 电子衍射及κ-Ga₂O₃的模拟衍射花样，显示沿[100]和[110]方向的旋转畴。(e) AIMD模拟的κ-Ga₂O₃铁电翻转过程。(f) AIMD模拟期间沿三个晶轴的平均原子位移。(g) 振幅和相位的PFM磁滞回线，验证了κ-Ga₂O₃的铁电性。(h) 在±20 V顺序双向直流偏压下，κ-Ga₂O₃中面外极化的PFM振幅图和(i)相位图。(j) κ-Ga₂O₃电容器的极化-电场回线，其中P_r、P_S和E_c分别表示剩余极化强度、饱和极化强度和矫顽场。