CN107579155A - 基于a‑Si的光读取神经突触器件结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于a‑Si的光读取神经突触器件结构及其制备方法，包括“金属/a‑Si/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；表面等离子波导从上至下具有“第二金属层/介质层/第一金属层”垂直三层结构；忆阻器从上至下具有“上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极”垂直四层结构，忆阻器第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的介质层水平相连；本发明实现神经突触权重的光读取，使得以光信号幅值和相位作为突触权重的光读取神经突触器件，具有以电阻作为突触权重的传统突触器件无法比拟的优势，表面等离子波导能够让光信号突破衍射极限进行传递，有利于器件尺寸进一步缩小。

Description

基于a-Si的光读取神经突触器件结构及其制备方法

技术领域

本发明属于硅基光子集成器件与神经形态芯片领域，具体涉及一种基于a-Si的光读取神经突触器件及其制备方法。

背景技术

具有“金属/介质层/金属”三明治结构的忆阻器，如果施加不同的偏置电压，器件的电阻值将呈现非线性变化。这种电阻的非线性变化是由不同偏压下介质层中导电通道的形成或者消失引起的。有趣的是，这种纳米级的丝状导电通道的连接强度会随偏压的幅值和作用时间发生变化。这种特性与生物神经系统中连接不同神经元的突触的工作机制非常相似。正是忆阻器与生物系统突触的这种相似性，使其非常适合作为突触器件用于构造神经形态仿脑芯片，进而用于人工神经网络。研究证实，基于忆阻器的仿生突触是到目前为止与生物神经系统中突触最为接近的仿生器件。

忆阻器为人工神经网络提供了一种更为出色的突触器件，然而目前所有的基于忆阻器的仿生突触器件都是以电信号来读取突触器件中的突触权值。电子传递的信号带宽小，传递过程中会产生相互干扰。相比之下，光子具有信号的并行性，同时具有带宽大的特性，使得以光信号(幅值和相位)作为信息媒介对突触权重进行读取则更有优势。然而，到目前为止，在已公布的基于忆阻效应的突触器件专利中，全都是基于电子媒介对突触权重进行读取，可称之为“电调制电读取”，并没有采用光子媒介来读取神经突触的权重(参考依据：CN 104916313 A，CN 10378055A，CN105287046A，CN105304813A，CN 104934534 A，CN104376362 A)。

发明内容

本发明提出一种基于忆阻效应的新型光读取神经突触器件，以光作为信号媒介，用光强和相位代表突触权值，其目的在于突破传统神经突触器件信号处理的带宽限制，提供一种具有优良并行信号处理能力的光读取忆阻仿生突触器件。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，包括“金属/a-Si/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；

所述的表面等离子波导从上至下具有“第二金属层/介质层/第一金属层”垂直三层结构；

所述忆阻器从上至下具有“上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极”垂直四层结构；

所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，忆阻器第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的介质层水平相连。

作为优选方式，第一阻变层为纯a-Si薄膜。

作为优选方式，第二阻变层为含金属纳米颗粒的a-Si薄膜，所述的金属纳米颗粒选自银、铜或铝。

作为优选方式，所述的上电极、下电极同为惰性电极。

作为优选方式，所述的第二阻变层是通过共溅射方法结合标准CMOS工艺获得的含银、铜、铝其中一种金属的纳米颗粒的a-Si薄膜，厚度为10nm～30nm，金属纳米颗粒含量为薄膜质量的30％～45％。

作为优选方式，所述的第一阻变层是通过磁控溅射方法结合标准CMOS工艺获得的本征a-Si薄膜，厚度为30nm～50nm。

作为优选方式，所述第一金属层和第二金属层为Ag。

作为优选方式，所述上电极的顶部位于第二金属层内部。这样可以减少一部分光信号的损耗。

作为优选方式，所述的忆阻器上电极、下电极为采用物理气相沉积方法结合标准CMOS工艺获得的惰性金属铂电极，厚度为10nm～20nm，而其宽度与表面等离子波导宽度相同。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述基于a-Si的光读取神经突触器件结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备硅单晶片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用物理气相沉积方法并结合标准CMOS工艺，形成第一金属层；

(3)首先，在第一金属层所在的表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版和光刻、显影步骤，实现忆阻器窗口；其次，采用等离子增强化学气相沉积方法，在已涂胶并图形化的第一金属层上，沉积非晶硅薄膜作为波导介质层；第三，使用剥离工艺，获得位于第一金属层上方的波导介质层，并在其中预留忆阻器窗口；

(4)首先，利用光刻工艺在忆阻器区域之外形成光刻胶图案，其次，依次沉积忆阻器下电极、第一阻变层、第二阻变层以及上电极，其中，下电极采用直流溅射方法获得；第一阻变层为a-Si薄膜，采用反应磁控溅射方法获得；第二阻变层为含金属纳米颗粒的a-Si薄膜，上电极采用直流溅射方法获得，第三，采用剥离工艺去除上述4层薄膜，获得位于表面等离子波导中的忆阻器；

(5)在步骤(3)的基础上，采用金属剥离工艺，形成表面等离子波导的第二金属层；

(6)采用普通反应离子刻蚀RIE工艺，去除残余光刻胶，完成清洗、干燥后续工序一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，包括“金属/a-Si/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；

本发明的基本工作原理是：当在器件上电极和下电极之间施加正向电压时(电调制)，第二阻变层中的金属纳米颗粒在电场作用迁移到第一阻变层中，使得忆阻器阻变层中金属纳米颗粒的分布发生重组；当在表面等离子波导中传输的光与重组后的忆阻器阻变层发生相互作用后，传输光的幅值发生衰减、相位发生延迟，从而实现突触权重的调制(光读取)。当在器件上电极和下电极之间施加反向电压时(电调制)，迁移到第一阻变层中的金属纳米颗粒在电场作用下回到第二阻变层中，同样可使忆阻器阻变层中金属纳米颗粒的分布发生重组，从而使得调制光强度和相位得到恢复。显然，在电调制的一个周期内，光读取神经忆阻突触权重的变化程度，与所施加的电压存在一一对应关系。

本发明的有益效果为：本发明基于“金属/a-Si/金属”忆阻器结构，结合表面等离子波导，实现神经突触权重的光读取。由于光信号在传输过程中能够实现并行和大带宽的特点，使得以光信号幅值和相位作为突触权重的光读取神经突触器件，具有以电阻作为突触权重的传统突触器件无法比拟的优势。更为重要的是，表面等离子波导能够让光信号突破衍射极限进行传递，有利于器件尺寸进一步缩小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

1为第一金属层，2为介质层，3为第二金属层，4为下电极，5为第一阻变层，6为第二阻变层，7为上电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，包括“金属/a-Si/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；

所述的表面等离子波导从上至下具有“第二金属层3/介质层2/第一金属层1”垂直三层结构；

所述忆阻器从上至下具有“上电极7/第二阻变层6/第一阻变层5/下电极4”垂直四层结构；

所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，忆阻器第一阻变层5、第二阻变层6作为光信号传播通道与表面等离子波导的介质层2水平相连。

具体的，第一阻变层5为纯a-Si薄膜。

具体的，第二阻变层6为含金属纳米颗粒的a-Si薄膜，所述的金属纳米颗粒选自银、铜或铝。

具体的，所述的上电极7、下电极4同为惰性电极。

优选的，所述的第二阻变层6是通过共溅射方法结合标准CMOS工艺获得的含银、铜、铝其中一种金属的纳米颗粒的a-Si薄膜，厚度为10nm～30nm，金属纳米颗粒含量为薄膜质量的30％～45％。

优选的，所述的第一阻变层5是通过磁控溅射方法结合标准CMOS工艺获得的本征a-Si薄膜，厚度为30nm～50nm。

具体的，所述第一金属层和第二金属层为Ag。

具体的，所述上电极7的顶部位于第二金属层3内部。这样可以减少一部分光信号的损耗。

优选的，所述的忆阻器上电极7、下电极4为采用物理气相沉积方法结合标准CMOS工艺获得的惰性金属铂电极，厚度为10nm～20nm，而其宽度与表面等离子波导宽度相同。

本实施例还提供一种上述基于a-Si的光读取神经突触器件结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备硅单晶片，并按标准工艺进行清洗和干燥处理；

(2)采用物理气相沉积方法并结合标准CMOS工艺，形成长、宽、高为10μm×0.8μm×0.1μm的Ag第一金属层1；

(3)首先，在Ag第一金属层1所在的表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版和光刻、显影等步骤，实现长、宽为5μm×0.8μm的忆阻器窗口；其次，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法，在已涂胶并图形化的Ag第一金属层1上，沉积厚度为50nm的非晶硅(a-Si)薄膜作为波导介质层；第三，使用剥离工艺，获得位于Ag第一金属层1上方的10μm×0.8μm×0.05μm波导介质层，并在其中预留长、宽为5μm×0.8μm的忆阻器窗口；

(4)首先，利用光刻工艺在忆阻器区域之外形成光刻胶图案。其次，依次沉积忆阻器下电极4、第一阻变层5、第二阻变层6以及上电极7。其中，下电极4为Pt，厚度10nm，采用直流溅射方法获得；第一阻变层5为a-Si薄膜，厚度为30nm，采用反应磁控溅射方法获得；第二阻变层6为含Ag纳米颗粒的a-Si薄膜，厚度～10nm，含Ag量35％；上电极7为Pt，厚度10nm，采用直流溅射方法获得。第三，采用剥离工艺去除上述4层薄膜，获得位于表面等离子波导中的忆阻器；

(5)在步骤(3)的基础上，采用金属剥离工艺，形成表面等离子波导的第二金属层3，为0.1μm的Ag金属层；

(6)采用普通反应离子刻蚀RIE工艺，去除残余光刻胶，完成清洗、干燥等后续工序。

本实施例的基本工作原理是：当在器件上电极7和下电极4之间施加正向电压时(电调制)，第二阻变层6中的金属纳米颗粒在电场作用迁移到第一阻变层5中，使得忆阻器阻变层中金属纳米颗粒的分布发生重组；当在表面等离子波导中传输的光与重组后的忆阻器阻变层发生相互作用后，传输光的幅值发生衰减、相位发生延迟，从而实现突触权重的调制(光读取)。当在器件上电极7和下电极4之间施加反向电压时(电调制)，迁移到第一阻变层5中的金属纳米颗粒在电场作用下回到第二阻变层6中，同样可使忆阻器阻变层中金属纳米颗粒的分布发生重组，从而使得调制光强度和相位得到恢复。显然，在电调制的一个周期内，光读取神经忆阻突触权重的变化程度，与所施加的电压存在一一对应关系。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：包括“金属/a-Si/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；

所述的表面等离子波导从上至下具有“第二金属层/介质层/第一金属层”垂直三层结构；

所述忆阻器从上至下具有“上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极”垂直四层结构；

所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，忆阻器第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的介质层水平相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：第一阻变层为纯a-Si薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：第二阻变层为含金属纳米颗粒的a-Si薄膜，所述的金属纳米颗粒选自银、铜或铝。

4.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：所述的上电极、下电极同为惰性电极。

5.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：所述的第二阻变层是通过共溅射方法结合标准CMOS工艺获得的含银、铜、铝其中一种金属的纳米颗粒的a-Si薄膜，厚度为10nm～30nm，金属纳米颗粒含量为薄膜质量的30％～45％。

6.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：所述的第一阻变层是通过磁控溅射方法结合标准CMOS工艺获得的本征a-Si薄膜，厚度为30nm～50nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：所述第一金属层和第二金属层为Ag。

8.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：所述上电极的顶部位于第二金属层内部。

9.根据权利要求1所述的一种基于a-Si的光读取神经突触器件结构，其特征在于：所述的忆阻器上电极、下电极为采用物理气相沉积方法结合标准CMOS工艺获得的惰性金属铂电极，厚度为10nm～20nm，而其宽度与表面等离子波导宽度相同。

10.权利要求1至9任意一项所述的基于a-Si的光读取神经突触器件结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)准备硅单晶片，并进行清洗和干燥处理；

(2)采用物理气相沉积方法并结合标准CMOS工艺，形成第一金属层；

(3)首先，在第一金属层所在的表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版和光刻、显影步骤，实现忆阻器窗口；其次，采用等离子增强化学气相沉积方法，在已涂胶并图形化的第一金属层上，沉积非晶硅薄膜作为波导介质层；第三，使用剥离工艺，获得位于第一金属层上方的波导介质层，并在其中预留忆阻器窗口；

(4)首先，利用光刻工艺在忆阻器区域之外形成光刻胶图案，其次，依次沉积忆阻器下电极、第一阻变层、第二阻变层以及上电极，其中，下电极采用直流溅射方法获得；第一阻变层为a-Si薄膜，采用反应磁控溅射方法获得；第二阻变层为含金属纳米颗粒的a-Si薄膜，上电极采用直流溅射方法获得，第三，采用剥离工艺去除上述4层薄膜，获得位于表面等离子波导中的忆阻器；

(5)在步骤(3)的基础上，采用金属剥离工艺，形成表面等离子波导的第二金属层；

(6)采用普通反应离子刻蚀RIE工艺，去除残余光刻胶，完成清洗、干燥后续工序。