CN104934534A - 一种生物神经突触仿生电子器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物神经突触仿生电子器件及其制备方法。该生物神经突触仿生电子器件从上至下依次包括上电极、与上电极连接的中间绝缘层以及与中间绝缘层连接的下电极；且上电极的材料为金属钛，中间绝缘层的材料为金属氧化物。该器件的制备方法如下：（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）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。本发明通过采用合适的上电极与电绝缘薄膜组合，使制备的生物神经突触仿生电子器件表现出纯电子行为，不涉及器件内部微结构的改变，因此大幅改善了突触仿生电子器件的时间保持性和抗疲劳特性。

Description

一种生物神经突触仿生电子器件及其制备方法

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及其制备方法。

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/TiO₂-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，这与生物大脑中神经突触的原理有着很高的相似性，突触连接强度随信号刺激而发生变化，并保持变化的连接强度。生物系统记忆和学习功能是以精确控制通过神经元及突触的离子流为基础建立的。一方面突触能够动态地反应外界的电位刺激，并保持一系列连续的状态。另一方面，作为突触很重要的特点——可塑性，往往会产生一系列与空间和时间相关联的功能。正因为突触这些非线性及与时间关联等复杂的特征，导致在物理上难以对其进行精确模拟。所以利用忆阻器实现神经突触功能将会是一种简单有效的方式，也因此这种新型神经突触仿生电子器件在电路、材料、生物等领域都引起广泛的关注。基于忆阻器的新型神经突触仿生电子器件，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。

实现突触学习功能时，其中一个典型的特性是突触的可塑性，它是神经突触的一个重要的特征、同时也是人工神经网络中模拟大脑功能时必要实现的,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。突触可塑性按照保留时间可以划分为短时和长时两种。短时可塑性(记忆)对应于突触受刺激后的短暂增强神经连接，反复刺激忆阻器时，可以发现记忆保持量及相应短时记忆的衰减时间都随着刺激次数而增加，即实现了短时记忆向长时记忆的转变。

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，必须制备出高性能突触仿生电子器件，尤其要求器件具有优异的时间保持性和抗疲劳特性。现有文献的报道中，忆阻器的神经突触器件机理多为以电场或热能为驱动力，通过离子的迁移或材料相变来实现神经突触可塑性功能。公开号为CN103078054A和CN103078055A的专利文献公开了基于硫系化合物忆阻器的模拟生物神经突触的单元及模拟神经突触的方法，可以看到其突触器件单元的工作机理为焦耳热引发的材料相变或电场引发的离子迁移致其电阻的变化而实现神经突触。而相变或材料中的离子迁移势必会导致材料微结构的变化，从而难以保证突触器件实现优异的时间保持性和抗疲劳特性。

发明内容

本发明提供一种生物神经突触仿生电子器件及其制备方法，通过采用合适的上电极以及中间绝缘层薄膜组合，突触器件表现出纯电子行为，不涉及器件材料内部微结构的改变，因此大幅改善了突触仿生电子器件的时间保持性和抗疲劳特性。

本发明提供了一种生物神经突触仿生电子器件，该器件从上至下依次包括上电极、与上电极连接的中间绝缘层以及与中间绝缘层连接的下电极；且上电极的材料为金属钛，中间绝缘层的材料为金属氧化物。

本发明的发明人发现，他们认真研究的结果是：采用金属钛作为上电极以及金属氧化物作为中间的电绝缘层非常关键，该上电极钛电极及中间绝缘层金属氧化物的组合能保证该生物神经突触仿生电子器件工作在纯电子模式。本发明人还发现，如果采用铜、银、铝、金、铂等作为上电极材料，则器件的工作模式变为离子的迁移模式，离子的迁移模式势必会造成器件内材料微结构的变化，而本发明采用的钛电极和金属氧化物为绝缘层的组合，由于实现了纯电子模式的神经突触模式，从而有效的实现器件优异的时间保持性和抗疲劳特性。

进一步地，金属氧化物的厚度优选为2~300nm。

进一步地，金属氧化物优选为ZnO薄膜，其厚度优选为100nm。

进一步地，上电极为金属钛薄膜，其厚度为10～200nm，进一步优选为50nm。

本发明还提供了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）依次在衬底上形成下电极层和中间绝缘层；

可以采用现有的镀膜工艺在衬底上形成下电极层和中间绝缘层，如热蒸发、磁控溅射、溶胶凝胶、化学气相沉积或涂敷法，可以根据下电极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）。

下电极层通常由导电材料制备得到，可以为金属或简并半导体。作为优选，所述的下电极层的材料为金属，进一步优选为铜、铂、金等金属层。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。但该缓冲层不是必须的。

作为优选，所述步骤（1）中间绝缘层的材料为金属氧化物，进一步优选为金属氧化物薄膜，其厚度优选为2~300nm，作为最佳优选，其金属氧化物薄膜为ZnO薄膜，其厚度进一步优选为100nm。

（2）在所述的绝缘层上形成若干个相互隔离的上电极；

上电极的材质为金属钛，厚度为10~200nm，作为优选，其厚度为50nm，该电极基于镀膜工艺制备。为得到相互隔离的上电极，可以先在绝缘层上形成金属钛薄膜，然后再对形成的金属钛薄膜进行刻蚀，将该金属钛薄膜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，在中间绝缘层上制备上电极金属钛薄膜时，利用掩膜版，直接形成相互隔离的独立区域。

（3）对下电极层和中间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）中制备的钛金属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钛金属上电极的情况下，本发明的制备方法仍然适用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过采用合适的钛金属上电极和金属氧化物作为中间电绝缘层薄膜的组合，生物神经突触电子器件表现出纯电子行为模式，该模式与目前文献中报道的通过离子迁移或材料相变来实现神经突触可塑性功能不同，纯电子迁移模式不会引起材料微结构的变化，所以极大的增强了器件的时间保持性和抗疲劳性。

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为实施例中制备的神经突触仿生电子器件单元的电流-电压特性曲线。

图3为实施例中制备的神经突触仿生电子器件单元在直流电压扫描模式下，多个电阻态的调控过程。

图4为实施例中制备的神经突触仿生电子器件单元在脉冲电压模式下，器件电导的连续调控。

图5为实施例中制备的神经突触仿生电子器件单元对电脉冲时间关联可塑性学习规则的模拟。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的神经突触仿生电子器件结构从上至下依次包括上电极、与上电极连接的中间绝缘层、以及与中间绝缘层连接的下电极，其中中间绝缘层的材质为金属氧化物，本实施例采用ZnO薄膜，其厚度优选2nm~300nm，本实施例采用最佳100nm；下电极为可导电金属或简并半导体，本实施例采用金属铂薄膜，其中最重要的，本实施例采用的上电极为金属钛薄膜，厚度优选50nm。

本实施例的神经突触仿生电子器件的制备方法包括如下步骤为：

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即下电极层。

上述衬底为热氧化硅片，即利用热氧化的方法将二氧化硅隔离介质层生长在单晶硅片上形成热氧化硅片，以该热氧化硅片作为制备本实施例的神经突触仿生电子器件的绝缘衬底。下电极层形成于热氧化硅片长有二氧化硅层的一面。

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，不做此考虑时，可以省略此缓冲层膜。

2）采用磁控溅射的方法，在下电极层铂薄膜上制备厚度为100nm的 ZnO薄膜作为中间绝缘层薄膜。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。

3）利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在ZnO薄膜上制作由钛制成的上电极层，上电极钛层厚度为50nm。也可采用先在ZnO薄膜上制作上电极层钛薄膜，然后通过刻蚀法形成若干个相互隔离的上电极。

4）采用反应离子刻蚀的方法在步骤3）已获得的结构基础上除去未被上电极覆盖的导电层和绝缘层，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、金属氧化物和钛电极。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。金属氧化物为100nm厚的ZnO薄膜。钛电极为50nm厚的钛薄膜。

对本实施例制备的生物神经突触仿生电子器件进行电流电压测试，图2为器件的电流-电压特性曲线，其中施加电压时均以下电极接地。图2(a)包含了三条曲线，按电压扫描顺序，分别对应电形成过程、复位过程和置位过程；图2(a)中的插图为相应半对数坐标下的曲线。从图2(a)可以看出，低电阻态的电流-电压曲线不是线性，因此可以得出器件的工作机制不符合基于离子迁移致其电阻变化而实现神经突触的模型。

图2(b)、图2(c)和图2(d)是双对数坐标下的电流-电压曲线，分别对应图2(a)中电形成过程、复位过程和置位过程曲线。每个图中，都对各个电压段进行了线性拟合，且图中显示的数字为给出的拟合直线的斜率。线性拟合结果显示符合空间电荷限制导电模型，说明器件的工作机制为电子在氧化层薄膜缺陷处的俘获和脱离，是一种纯电子模式，也就是说本实施例制备的神经突触仿生电子器件在其实现神经突触时，其工作模式为纯电子模型。

图3为本实施例制备的神经突触仿生电子器件在直流电压扫描模式下，多个电阻态的调控过程，表明该器件中电子俘获和脱离的程度可以通过改变限流和截止电压来可控调节。图4为脉冲电压模式下，该器件电导的连续调控，类似于生物体中神经突触强度的连续变化。图5为该突触仿生器件对电脉冲时间关联可塑性学习规则的模拟，由此表明本实施例制备的神经突触仿生电子器件具备自主学习的能力。

同时，本发明的生物神经突触仿生电子器件还表现出优异的时间保持性和抗疲劳特性。在空气中放置一年，器件的状态也没有发生明显变化，仍然可以正常工作。器件多个电阻态之间连续切换1000次以上，仍然可以正常工作。该器件能够表现出如此优异的时间保持性和抗疲劳特性，原因在于其实现神经突触的工作模式为纯电子模式，该模式与目前文献中报道的通过离子迁移或材料相变来实现神经突触可塑性功能不同，纯电子工作模式不会引起材料微结构的变化，所以极大的增强了器件的时间保持性和抗疲劳性。

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 (10)

1.一种生物神经突触仿生电子器件，所述器件从上至下依次包括上电极、与上电极连接的中间绝缘层以及与中间绝缘层连接的下电极，其特征在于：所述上电极的材料为金属钛，所述中间绝缘层的材料为金属氧化物。

2. 如权利要求1所述的一种生物神经突触仿生电子器件，其特征在于：所述金属氧化物的厚度为2~300nm。

3.如权利要求2所述的一种生物神经突触仿生电子器件，其特征在于：所述金属氧化物为ZnO薄膜。

4.如权利要求3所述的一种生物神经突触仿生电子器件，其特征在于：所述ZnO薄膜的厚度为100nm。

5.如权利要求1所述的一种生物神经突触仿生电子器件，其特征在于：所述上电极为金属钛薄膜，其厚度为10～200nm。

6.如权利要求5所述的一种生物神经突触仿生电子器件，其特征在于：所述上电极为金属钛薄膜，其厚度为50nm。

7.制备如权利要求1至6中任一项所述的一种生物神经突触仿生电子器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）依次在衬底上形成下电极层和中间绝缘层；

（2）在所述的中间绝缘层上形成若干个相互隔离的上电极；

（3）对下电极层和中间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；

其中所述上电极的材料为金属钛，且中间绝缘层的材料为金属氧化物。

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，所述下电极层的材料为金属或简并半导体。

9.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：所述上电极金属钛为钛薄膜，其厚度为10～200nm。

10.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：中间绝缘层的材料为ZnO薄膜。