多功能集成Ga₂O₃基光电忆阻器

导读受人脑视觉感知系统的启发，集成光学感知、存储和神经形态计算功能的光电突触器件的研究成为了神经形态计算系统发展的关键。近年来，基于光电探测结构的人工突触器件在神经突触和神经形态计算功能方面发展十分成熟，但是欠缺数字存储功能。如果能将数字存储、逻辑门、光突触及神经形态计算功能集成在一个器件中，将有望为发展高集成、多功能的神经形态计算系统提供新的思路和方法。

基于此，西安电子科技大学常晶晶教授课题组联合南京大学李昀教授提出了一种氧化镓基光电忆阻器，在光电双重信号的调制作用下，成功在单个忆阻器中集成了多级存储、逻辑门、神经突触以及神经形态计算等功能。

相关研究成果以“Versatile optoelectronic memristor based on wide-bandgap Ga2O3 for artificial synapses and neuromorphic computing”为题在线发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》

研究背景

随着大数据、人工智能等技术的蓬勃发展，传统的冯・诺依曼架构计算机在处理海量数据时面临能耗高、速度慢等瓶颈问题。忆阻器作为一种具有记忆功能的新型存储器件，因其与神经突触结构类似、存算一体等优点，有望打破传统冯・诺依曼架构中的“存储墙”瓶颈，构建更加高效的神经形态计算系统。目前，基于忆阻器的神经形态器件多集中于神经突触功能和神经形态计算功能的集成。具有多种功能（如非易失性存储、逻辑门、神经突触以及神经形态计算）的忆阻器仍有待深入探索。鉴于此，研究多功能于一身的忆阻器有望突破现有技术瓶颈，为未来的计算和存储体系带来创新性的变革，从而满足不断增长的科技需求。 创新研究 近日，西安电子科技大学常晶晶教授课题组联合南京大学李昀教授提出了一种氧化镓基光电忆阻器，在光电双重信号的调制作用下，成功在单个忆阻器中集成了多级存储、逻辑门、神经突触以及神经形态计算等功能。

研究人员首先在不同限流下实现了易失性存储和非易失性存储共存的特性，同时在不同限流和不同光照强度的共同作用下实现了多级存储特性。之后发现不同极性电压下器件的输出电流有差异，基于负电压抑制，正电压增强的电流特性，将电压和光照作为输入，电流作为输出，实现了基本的“与”、“或”逻辑门。

图1. Ga2O3基光电忆阻器的多级存储特性和逻辑门操作

随后深入探究了氧化镓基光电忆阻器在不同光脉冲强度、数量、宽度和频率下由短时程记忆（STM）到长时程记忆(LTM)的变化情况，以及人脑学习经验行为模拟。

图2. Ga2O3基光电忆阻器的神经突触特性及记忆行为模拟

最后基于氧化镓基光电忆阻器电导的光脉冲增强和电脉冲减弱特性，构建了人工神经网络，并成功实现了90.7%手写数字识别率，为感存算一体器件奠定基础。

图3. Ga2O3基光电忆阻器的图像识别应用

前景展望

团队开发了一种基于氧化镓的光电忆阻器，在光电耦合调制的作用下成功实现了多级存储、逻辑门、光突触和神经形态计算等功能。这项研究为神经形态计算和多功能集成领域的发展提供了新的思路和方向，未来有望应用于高集成、多功能的神经形态计算领域。

  论文信息  

Cui, D., Pei, M., Lin, Z. et al. Versatile optoelectronic memristor based on wide-bandgap Ga2O3 for artificial synapses and neuromorphic computing. Light Sci Appl 14, 161 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01773-6