CN108110137A - 基于SiOxNy的光读取神经突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件及其制备方法，包括表面等离子波导和忆阻器；表面等离子波导具有从上至下依次设置的第二金属层/SiNx介质层/第一金属层的垂直三层结构；忆阻器具有从上至下依次设置的上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极的垂直四层结构，所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，所述第二阻变层和第一阻变层作为光信号传播通道，与表面等离子波导的SiNx介质层水平相连。本发明能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神经突触器件无法比拟的优势，而表面等离子波导能够使得光信号突破衍射极限进行传递，有利于器件尺寸进一步减小。
Description
技术领域
本发明属于硅基光子集成器件与神经形态芯片技术领域，具体涉及一种基于SiOxNy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。然而，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出色的突触器件，然而目前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，可称之为“电读取”。电读取忆阻仿生突触传输带宽小，信号间的相互干扰大。相比之下，以光信号(幅值和相位)作为信息媒介对突触权重进行读取(可称之为“光读取”)具有电读取无法比拟的优势，比如，传输带宽大，优越的信号并行性等。然而，到目前为止，在已公布的如下基于忆阻效应的突触器件的相关文献全都是基于“电读取”的仿生突触：
CN 104916313A公开一种基于忆阻器件的神经网络突触结构，包括：第一忆阻器件、第二忆阻器件、电压反相器、运算放大器以及反馈电阻。
CN105287046A公开一种全碳基神经突触仿生器件及其制造方法，全碳基神经突触仿生器件包括衬底、位于衬底之上的底电极、位于底电极之上的阻变功能层、以及位于阻变功能层之上的顶电极，其中，所述底电极和顶电极为石墨烯，所述阻变功能层为氧化石墨烯。
CN105304813A公开一种神经突触仿生器件及其制备方法，神经突触仿生器件包括衬底、位于衬底之上的底电极、位于底电极之上的阻变功能层、以及位于阻变功能层之上的顶电极；其中，所述电阻转变层包括上下两层氧化层、以及位于上下两层之间的金属纳米颗粒。
CN 104934534A公开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。
CN 104376362B公开一种用于人工神经网络的突触器件，所述人工神经网络包括多个神经元，所述多个神经元之间通过突触器件阵列相互连接，所述突触器件阵列包括多个突触器件，所述突触器件包括：两个、三个或更多个并联连接的突触单元。
本发明拟提供一种基于“光读取”的仿生突触器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件及其制备方法；其是一种基于忆阻效应的新型光读取神经突触器件，其以光作为信号媒介，用光强和相位代表突触权值，可突破传统神经突触器件信号处理的带宽限制，具有优良并行信号处理能力。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案如下：
一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，包括表面等离子波导和忆阻器；
所述表面等离子波导具有从上至下依次设置的第二金属层、SiNx介质层、第一金属层的垂直三层结构；
所述忆阻器具有从上至下依次设置的上电极、第二阻变层、第一阻变层、下电极的垂直四层结构；
所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，所述忆阻器的第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的SiNx介质层水平相连。
作为优选方式，
所述的上电极、下电极均为惰性铂电极。
作为优选方式，
所述的忆阻器的上电极、下电极均为采用物理气相沉积方法获得的惰性金属铂电极，厚度为10nm～20nm，且其宽度与表面等离子波导宽度相同。
作为优选方式，
所述第一阻变层为本征SiOxNy薄膜。
作为优选方式，
所述的第一阻变层是通过磁控溅射方法获得的本征SiOxNy薄膜，厚度为30nm～50nm。
作为优选方式，
所述第二阻变层为含金属纳米颗粒的SiOxNy薄膜。
优选地，
所述的金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或铝纳米颗粒，优选银纳米颗粒。
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工艺获得金属纳米颗粒的SiOxNy薄膜，厚度为10nm～30nm，所述金属纳米颗粒含量为SiOxNy薄膜体积的30％～45％；
所述的金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或铝纳米颗粒，优选银纳米颗粒。
作为优选方式，
所述第一金属层和第二金属层均为金属银层。
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。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述基于SiOxNy的光读取神经突触器件的制备方法，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，形成第一金属层；
(3)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；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SiNx薄膜作为波导介质层；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)利用光刻工艺在忆阻器区域之外形成光刻胶图案；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4层薄膜，其中，下电极采用直流溅射方法获得；第一阻变层为SiOxNy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SiOxNy薄膜，采用共溅射方法获得；上电极采用直流溅射方法获得；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)和(4)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(反应离子刻蚀，英文全称Reactive IonEtching，简称“RIE”)工艺，去除残余光刻胶，清洗、干燥后即得。
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/双阻变层/金属”忆阻器的垂直四层结构，结合“金属/SiNx介质层/金属”表面等离子波导三层结构，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
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例光读取神经突触器件的结构原理示意图；
1、第一金属层；2、SiNx介质层；3、第二金属层；4、下电极；5、第一阻变层；6、第二阻变层；7、上电极。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例并结合附图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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，包括表面等离子波导和忆阻器；
所述表面等离子波导具有从上至下依次设置的“第二金属层3/SiNx介质层2/第一金属层1”的垂直三层结构；
所述忆阻器具有从上至下依次设置的“上电极7/第二阻变层6/第一阻变层5/下电极4”的垂直四层结构；
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SiNx介质层2水平相连。
上电极7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。
本实施例中，
第一阻变层5为本征SiOxNy薄膜；通过磁控溅射方法结合标准CMOS工艺获得，厚度为30nm。
第二阻变层6为含银纳米颗粒的SiOxNy薄膜，厚度为10nm，银纳米颗粒含量为薄膜体积的30％。
上电极7、下电极4均为惰性铂电极。
第一金属层1和第二金属层3为金属银层，采用物理气相沉积方法结合标准CMOS工艺获得，厚度为10nm，且其宽度与表面等离子波导宽度相同。
本实施例还提供上述基于SiOxNy的光读取神经突触器件的制备方法，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，形成长、宽、高为10μm×0.8μm×0.1μm的第一金属层1，本实施例中，第一金属层1为金属银层；
(3)在第一金属层1所在的表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版和光刻、显影步骤，实现长、宽为5μm×0.8μm的忆阻器窗口；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第一金属层1上，沉积厚度为50nm的氮化硅(SiNx)薄膜作为波导介质层；使用剥离工艺，获得位于第一金属层1上方的尺寸为10μm×0.8μm×0.05μm的波导介质层，并在其中预留长、宽为5μm×0.8μm的忆阻器窗口；
(4)利用光刻工艺在忆阻器区域之外形成光刻胶图案；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为惰性铂电极，厚度10nm，采用直流溅射方法获得；第一阻变层5为本征SiOxNy薄膜，厚度为30nm，采用反应磁控溅射方法获得；第二阻变层6为含银纳米颗粒的SiOxNy薄膜，厚度约10nm，含银量35％(体积百分比)，通过共溅射方法获得；上电极7也为惰性铂电极，厚度10nm，采用直流溅射方法获得；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)和(4)的基础上，采用物理气相沉积方法结合金属剥离工艺，形成表面等离子波导的第二金属层3，本实施例中为0.1μm的金属银层；
(6)采用普通反应离子刻蚀工艺，去除残余光刻胶，清洗、干燥后，即得。
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中的银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银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(hν)与重组后的忆阻器阻变层发生相互作用后，传输光(hν)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中的银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银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。
本实施例基于“金属/双阻变层/金属”忆阻器的垂直四层结构，结合表面等离子波导“金属/SiNx介质层/金属”的垂直三层结构，能够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。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，
第一金属层1和第二金属层3厚度为20nm；
第一阻变层5为本征SiOxNy薄膜，厚度为50nm，采用反应磁控溅射方法获得；
第二阻变层6为含铜纳米颗粒的SiOxNy薄膜，厚度约30nm，含铜量45％(体积百分比)，通过共溅射方法获得。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，
第一金属层1和第二金属层3厚度为15nm；
第一阻变层5为本征SiOxNy薄膜，厚度为40nm，采用反应磁控溅射方法获得；
第二阻变层6为含铝纳米颗粒的SiOxNy薄膜，厚度约40nm，含铝量40％(体积百分比)通过共溅射方法获得。
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SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
包括表面等离子波导和忆阻器；
所述表面等离子波导具有从上至下依次设置的第二金属层、SiNx介质层、第一金属层的垂直三层结构；
所述忆阻器具有从上至下依次设置的上电极、第二阻变层、第一阻变层、下电极的垂直四层结构；
所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，所述忆阻器的第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的SiNx介质层水平相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述的上电极、下电极均为惰性铂电极。
3.根据权利要求2所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述的忆阻器的上电极、下电极均为采用物理气相沉积方法获得的惰性金属铂电极，厚度为10nm～20nm，且其宽度与表面等离子波导宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述第一阻变层为本征SiOxNy薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述的第一阻变层是通过磁控溅射方法获得的本征SiOxNy薄膜，厚度为30nm～50nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述第二阻变层为含金属纳米颗粒的SiOxNy薄膜；所述的金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或铝纳米颗粒。
7.根据权利要求6所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，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工艺获得金属纳米颗粒的SiOxNy薄膜，厚度为10nm～30nm，所述金属纳米颗粒含量为SiOxNy薄膜体积的30％～45％。
8.根据权利要求1所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述第一金属层和第二金属层均为金属银层。
9.根据权利要求1所述的一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件，其特征在于，
所述上电极的顶部位于第二金属层内部。
10.一种基于SiOxNy的光读取神经突触器件的制备方法，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，形成第一金属层；
(3)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；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SiNx薄膜作为波导介质层；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)利用光刻工艺在忆阻器区域之外形成光刻胶图案；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4层薄膜，其中，下电极采用直流溅射方法获得；第一阻变层为SiOxNy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SiOxNy薄膜，采用共溅射方法获得；上电极采用直流溅射方法获得；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)和(4)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，清洗、干燥后即得。
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