CN104518088A

CN104518088A - 一种生物神经突触仿生电子器件的制备方法及其产品

Info

Publication number: CN104518088A
Application number: CN201410687913.5A
Authority: CN
Inventors: 诸葛飞; 潘若冰; 曹鸿涛; 竺立强; 李俊
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2015-04-15

Abstract

本发明公开了一种生物神经突触仿生电子器件的制备方法及其产品，制备方法如下：(1)依次在衬底上形成导电层和绝缘层；(2)在所述的绝缘层上形成若干个相互隔离的上电极；(3)使导电层接地，先向各上电极施加第一脉冲，然后再向各上电极施加第二脉冲；(4)对导电层和绝缘层进行刻蚀除去未被上电极覆盖的区域，即得到相互隔离的生物神经突触仿生电子器件。本发明通过对电极/电绝缘薄膜/电极叠层结构进行两步电压处理，改善了绝缘层的微结构及电学性能，使制备的生物神经突触仿生电子器件在模拟生物神经突触功能时，单个突触行为的能耗降低至10^–5fJ，从而实现超低能耗操作，有利于突触仿生电子器件的大规模集成。

Description

一种生物神经突触仿生电子器件的制备方法及其产品

技术领域

本发明涉及微电子器件技术领域，尤其涉及一种生物神经突触仿生电子器件的其制备方法及其产品。

背景技术

忆阻器有着很简单的金属/介质层(即中间层)/金属叠层结构，是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。早在1971年，美国加州大学伯克利分校华裔电子工程师蔡少棠就预言，通过理论计算，在电阻、电容和电感之外必定存在第四种无源电子元件。37年后(2008年)，美国惠普公司宣布在Pt/TiO_2–x/Pt两端器件中找到这个一直缺失的电路元件。忆阻器具有电阻的量纲，但有着不同于普通电阻的非线性电学性质，其阻值会随着流经电荷量而发生改变，并且能够在电流断开时保持之前的阻值状态，即具有记忆功能。忆阻器的这些特性与生物大脑中神经突触的工作原理及结构有着高度相似性，因此在新型神经突触仿生电子器件领域引起极为广泛的关注。基于忆阻器，有望在不久的将来实现无数科学家一直以来的梦想——开发出与人脑结构类似的认知型计算机以及类人机器人。

人类大脑中存在10¹¹～10¹⁴个神经元，而连接这些神经元的突触数量则高达10¹⁵。神经突触由三部分组成：突触前膜、突触后膜以及两膜间的窄缝——突触间隙，其间距通常为20～40nm。在电信号刺激下，携带传递信息的神经递质由突触前神经元通过突触间隙单向传输到突触后神经元。因此，突触前后膜类似于忆阻器的两端金属电极，而突触间隙类似于忆阻器的介质层(厚度一般数十纳米)。绝大多数忆阻器的工作原理为介质层中离子的迁移，类似于突触间隙中神经递质(一种离子流)的传输。

神经突触一个重要的特征是突触的可塑性,电信号刺激能够加强或者弱化突触,突触连接强度可连续调节。记忆是通过大脑中大量突触之间的相互连接所表现出来,因此，突触可塑性被认为是学习和记忆重要的神经化学基础。

要开发出与人脑结构类似的认知型计算机以及类人机器人，必须实现突触仿生电子器件的大规模集成，最终接近人脑的致密度。除了每个突触器件的尺寸要小外，单个突触行为的能耗必须<10 fJ。公开号为CN103078054A和CN103078055A的专利文献公开了基于硫系化合物的模拟生物神经突触的单元及制备方法，但是其突触器件单元并未实现超低能耗操作。

发明内容

本发明提供一种生物神经突触仿生电子器件的制备方法，对电极/电绝缘薄膜/电极叠层结构进行两步电压处理，大幅改善了电绝缘薄膜(即绝缘层)的微结构以及相应电学性能；以两步电压法处理的电极/电绝缘薄膜/电极叠层结构，模拟生物神经突触功能时，单个突触行为的能耗可低至10^–5fJ，实现了超低能耗操作。

一种生物神经突触仿生电子器件的制备方法，包括如下步骤：

(1)依次在衬底上形成导电层和绝缘层；

可以采用现有的镀膜工艺在衬底上形成导电层和绝缘层，如热蒸发、磁控溅射、溶胶凝胶、化学气相沉积或涂敷法，可以根据导电层和绝缘层的材质选择合适的镀膜方法。

衬底材质可以任意选择，对其导电性没有特殊要求，所述的衬底可以为绝缘衬底，如玻璃、热氧化硅片、陶瓷等电绝缘材料；也可以选用半导电衬底，如硅、氧化物半导体、氮化物半导体等半导体材料；也可以采用导电衬底，如各种金属、石墨等导电材料。

考虑到与现有CMOS兼容性和在集成电子领域的应用，本发明中优选采用硅基衬底，如热氧化硅片(表面具有热氧化层的硅片)。

导电层通常由导电材料制备得到，可以为金属、导电氧化物、导电氮化物等。作为优选，所述的导电层为金属导电层，优选为铜、铂、金金属层等。作为优选，导电层的厚度为10～200nm。

为使导电层与衬底的物理接触和电学性能的匹配，可以在衬底和导电层之间添加厚度为5～100nm的缓冲层。例如，当衬底为热氧化硅片时，导电层为铂时，可以在衬底上预先形成一层钛薄膜作为缓冲层，一方面增大铂导电层与热氧化硅片的粘合性，另一方面还可以有效降低电阻率。

作为优选，所述绝缘层的材质为金属氧化物薄膜或非晶碳。所述步骤(1)中形成的绝缘层的厚度为2～500nm。进一步优选，所述绝缘层的厚度为10～300nm。最优的，所述绝缘层的厚度为300nm。

(2)在所述的绝缘层上形成若干个相互隔离的上电极；

上电极的厚度为10～200nm，材质导电即可，多为金属材质，基于镀膜工艺制备。为得到相互隔离的上电极，可以先在绝缘层上形成导电层(第二导电层)，然后再对形成的导电层进行刻蚀，将导电层划分为相互隔离的独立区域，每个独立区域即为一个上电极。

为提高制备效率，作为优选，在绝缘层上制备导电层时，利用掩膜版，直接形成相互隔离的独立区域。

(3)使导电层接地，先向各上电极施加第一脉冲，然后再向各上电极施加第二脉冲；

在导电层和上电极之间施加第一脉冲时，使导电层/绝缘层/上电极叠层结构由高电阻态变为低电阻态。反过来，继续施加第二脉冲时，使导电层/绝缘层/上电极叠层结构由低电阻态又回到高电阻态。

本发明中第一脉冲为正向脉冲，第二脉冲为正向脉冲或负向脉冲均可。

本发明中采用两步电压(脉冲)处理法非常关键，首次加适当的第一脉冲可以在绝缘层中形成缺陷组成的导电细丝，器件从初始高电阻态转变为低电阻态，第二次加适当的第二脉冲，导电细丝局部发生断裂，器件又转变回高电阻态。在这个过程中，绝缘层的微结构及相应电学性能发生了很大变化，因此在很小的能耗下，就可以实现突触功能的模拟。

第一脉冲和第二脉冲的幅值大小取决于绝缘层的材料和厚度，为实现阻态变化，所述第一脉冲的电压幅值为0.1～8V。所述第二脉冲的电压幅值为0.05～5V。作为优选，所述第一脉冲的电压幅值为0.8～6V，所述第二脉冲的电压幅值为0.2～0.7V。

作为优选，所述第一脉冲和第二脉冲的脉宽为0.5～1000ns。进一步优选，所述第一脉冲和第二脉冲的脉宽为2～100ns。最优地，所述第一脉冲和第二脉冲的脉宽为10ns。

(4)对导电层和绝缘层进行刻蚀除去未被上电极覆盖的区域，即得到相互隔离的生物神经突触仿生电子器件。

除去未被上电极覆盖的区域后，导电层和绝缘层被划分为若干个与各个上电极对应的独立区域，进而在衬底上形成若干个独立的生物神经突触仿生电子器件。

本发明的制备方法中步骤(2)中制备的上电极的个数取决于单个上电极和衬底的大小关系。对于绝缘层上只能形成一个上电极的情况下，本发明的制备方法仍然适用。

本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的生物神经突触仿生电子器件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

对电极/电绝缘薄膜/电极叠层结构进行两步电压处理，大幅改善了绝缘层的微结构及相应电学性能；以所述的两步电压法处理的电极/电绝缘薄膜/电极叠层结构，模拟生物神经突触功能时，单个突触行为的能耗可低至10^–5fJ，从而实现超低能耗操作，利于突触仿生电子器件的大规模集成。

附图说明

图1为本发明的生物神经突触仿生电子器件单元的结构示意图；

图2为实施例1制备的神经突触仿生电子器件单元的突触后兴奋电流；

图3为实施例2制备的神经突触仿生电子器件单元的突触后兴奋电流；

图4为实施例3制备的神经突触仿生电子器件单元的突触后兴奋电流。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进一步进行详细说明。

实施例1

本实施例的神经突触仿生电子器件单元的制备方法包括如下步骤为：

步骤1、利用溅射法在衬底表面依次制备20nm厚的钛薄膜和150nm厚的铂薄膜作为导电层。

本实施例中衬底为热氧化硅片，利用热氧化的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅上形成热氧化硅片作为绝缘衬底。导电层形成于热氧化硅片的二氧化硅层的一面。

其中，20nm厚的钛薄膜作为缓冲层，主要作用是增大铂薄膜与热氧化硅片的机械结合力。

步骤2、采用磁控溅射的方法制备厚度为300nm ZnO薄膜作为绝缘薄膜。溅射参数如下：

以ZnO作为溅射靶材，以氧气和氩气的混合气体作为溅射气氛，衬底温度为室温，制备ZnO薄膜，溅射功率为10～500W，温度为20～50℃，时间为5min～2h。

步骤3、利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在ZnO薄膜上制作由铜制成的上电极，上电极厚度为50nm；

步骤4、使导电层接地，在上电极施加幅值为6V的第一脉冲(正向脉冲)，然后施加幅值为0.7V的第二脉冲(负向脉冲)。本实施例中第一脉冲和第二脉冲的时间为20ns。

利用半导体参数分析测试仪测试了本实施例制备的器件的电学特性。器件一开始处于高电阻状态，当施加幅值为6V，脉冲宽度为20ns的正向脉冲电压时，Cu/ZnO/Pt叠层结构从高电阻态转变为低电阻态。当施加幅值为0.7V，脉冲宽度为20ns的负向脉冲电压时，Cu/ZnO/Pt叠层结构从低电阻态转变回高电阻态。

步骤5、采用反应离子刻蚀的方法在步骤4已获得的结构基础上除去未被上电极覆盖除的导电层和绝缘层，将导电层和绝缘层划分为若干个与上电极一一对应的独立区域，其中一个独立区域内的导电层则作为一个下电极，进而形成相互隔离的生物神经突触仿生电子器件。

图1为采用本实施例的制备方法制备得到的生物神经突触仿生电子器件的结构示意图，该生物神经突触仿生电子器件从下至上依次为衬底、下电极、中间层(即绝缘层)和上电极。其中衬底为热氧化硅片。下电极由20nm厚的钛薄膜和150nm厚的铂薄膜组成，其中钛薄膜直接与热氧化硅片的热氧化层接触。中间层为300厚的ZnO薄膜。上电极为50nm厚的铜薄膜。

对本实施例的生物神经突触仿生电子器件的上电极和下电极之间施加幅值为3mV，脉宽为20ms的正向脉冲电压，同时利用1mV的电压实时读取电流值，图2为此时突触后兴奋电流随时间的变化关系，其中施加电压时均以下电极接地。可以看出，在幅值为3mV，宽度为20ms的正向脉冲电压激励下，器件电流达到一个峰值3.1nA，然后随时间呈现指数衰减，表现出明显的生物神经突触后兴奋电流特征，并且这一过程中消耗的能量只有186fJ，低于目前文献报道的最小能耗290fJ。

实施例2

与实施例1相同，所不同的是步骤2制备的ZnO薄膜的厚度为15nm，步骤4中所施加的第一脉冲(正向脉冲)的幅值为0.8V，第二脉冲(负向脉冲)的幅值为0.2V。

相应地，本实施例制备得到的生物神经突触仿生电子器件与实施例1的区别在于中间层ZnO薄膜的厚度为15nm，步骤4处理时采用的脉冲电压不同。

对于两步电压法处理的Cu/ZnO/Pt叠层结构，施加幅值为5mV，宽度为10ns的正向脉冲电压，同时利用1mV的电压实时读取电流值，图3为此时突触后兴奋电流随时间的变化关系。可以看出，在幅值为5mV，宽度为10ns的正向脉冲电压激励下，器件电流达到一个峰值1.3nA，然后随时间呈现指数衰减，表现出明显的生物神经突触后兴奋电流特征，并且这一过程中消耗的能量只有6.5×10^–5fJ，实现了超低能耗生物神经突触行为模拟。

实施例3

与实施例1相同，所不同的是步骤2制备的电绝缘薄膜是非晶碳(a-C)，厚度为10nm，溅射靶材为石墨，溅射气氛为氮气或氮气与氩气的混合气体。步骤4中所施加的第一脉冲(正向脉冲)的幅值为3V，第二脉冲(负向脉冲)的幅值为0.5V。

相应地，本实施例制备得到的生物神经突触仿生电子器件与实施例1的区别在于中间层为a-C薄膜，厚度为10nm，步骤4处理时采用的脉冲电压不同。

对于两步电压法处理的Cu/a-C/Pt叠层结构，施加幅值为10mV，宽度为100ns的正向脉冲电压，同时利用1mV的电压实时读取电流值，图4为此时突触后兴奋电流随时间的变化关系。可以看出，在幅值为10mV，宽度为100ns的正向脉冲电压激励下，器件电流达到一个峰值7nA，然后随时间呈现指数衰减，表现出明显的生物神经突触后兴奋电流特征，并且这一过程中消耗的能量只有7×10^–3fJ，实现了超低能耗生物神经突触行为模拟。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)依次在衬底上形成导电层和绝缘层；

(2)在所述的绝缘层上形成若干个相互隔离的上电极；

2.如权利要求1所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述第一脉冲的电压幅值为0.1～8V。

3.如权利要求1所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述第二脉冲的电压幅值为0.05～5V。

4.如权利要求2或3所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述第一脉冲和第二脉冲的脉宽为0.5～1000ns。

5.如权利要求4所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述第一脉冲和第二脉冲的脉宽为2～100ns。

6.如权利要求5所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中形成的绝缘层的厚度为2～500nm。

7.如权利要求6所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中形成的绝缘层的厚度为10～300nm。

8.如权利要求7所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的材质为金属氧化物薄膜或非晶碳。

9.如权利要求8所述的生物神经突触仿生电子器件的制备方法，其特征在于，所述导电层和上电极的材质为金属。

10.一种根据权利要求1～9中任意一项所述的制备方法得到的生物神经突触仿生电子器件。