CN109037443A - 基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于a‑SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件及其制备方法，属于仿生器件技术领域。本发明将晶体硅棱镜与“顶电极/a‑SiNx∶金属纳米颗粒双阻变层/底电极”忆阻器结构耦合，使得电调制下光信号经晶体硅棱镜射入至双阻变层，并运用表面等离子体共振(SPR)效应，使得器件工作过程中阻变层的介电常数变化信息以光信号进行读取，进而实现器件突触权重的光读取。本发明所提出的“电调制，光读取”神经突触器件具有传统“电调制，电读取”神经突触器件无法比拟的优势，因其不仅具有传统忆阻器低能耗、非易失性等特性，而且还具有光作为信息载体进行信号处理带宽大、抗电磁干扰能力强的优势。
Description
技术领域
本发明属于仿生器件技术领域，具体涉及基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件及其制备方法。
背景技术
传统计算机是基于“冯·诺依曼架构”的，然而，“冯·诺依曼架构”中信息存储器和处理器之间数据调用和传输是通过总线来连接，这种方式使得信息处理的效率不仅受到处理器运算速率、存储速率的影响，还会受到总线信息传输能力的制约，形成所谓的“冯·诺依曼瓶颈”。尽管人脑处理的信息量并不比计算机少，但却显然效率更高、能耗更小。为此，研究人员构建出智能化计算机的理念，期望让计算机学习神经网络以更好模拟人脑功能，制造出更加接近人类大脑的计算机。因此，研究、开发具有类人脑自适应能力，可并行处理多种信息的神经仿生计算机一直以来是未来计算机领域的研究热点。生物物理学研究表明，大脑功能的完成与神经突触密不可分，神经突触的可塑性是大脑同时完成信息储存和处理的基础。因而，对神经突触进行仿生模拟是人工神经网络研究的重要步骤，也是神经形态计算机和其他智能终端研究的关键。
在智能型器件及神经突触仿真模拟研究领域中，忆阻器凭借其新颖的特性引起了研究人员的注意，研究人员发现，按照忆阻器的理论模型，其阻值可以随着施加电压而发生变化，并能够记住改变的状态，忆阻器所具有的独特的非线性传输特性，与生物大脑中神经突触的行为及原理有着很高的相似性。而这种相似性使得忆阻器非常适合作为神经突触仿生器件，并将其用于构造神经形态芯片，进而用于人工神经网络。在传统的神经形态芯片中，晶体管是构造仿生突触的基本单元。然而，基于晶体管的仿生突触器件，不仅体积庞大、能耗高、学习能力差，而且形成新的权值必须要重新构建电路。相比之下，忆阻器是一种更为出色的仿生突触器件。因为忆阻器作为仿生突触器件，不仅体积小、功耗低、可循环次数高，而且其工作状态(激励后的阻值)不需要能量来维持(即具有自持性)，更为重要的是，其阻值具有连续可调性。然而，忆阻器仍然也存在缺陷，由于现目前国内外基于忆阻器(即阻变存储器ReRAM)构造的神经形态芯片，利用电信号作为信息媒介对突触权重进行写入和读取，即“电调制、电读取”模式，而这一工作模式的主要不足之处就在于信号处理带宽小、电信号传递过程中容易产生串扰。
发明内容
鉴于上文所述，本发明针对现有基于忆阻器的仿生突触工作时所存在信号处理带宽小、信号传递过程易发生串扰的问题，提供了一种基于a-SiNx忆阻效应的光读取SPR神经突触器件及其制备方法。本发明通过合理的结构设计，使得神经突触器件利用光信号作为信息媒介，并以光强代表突触权重对后者进行读取，突破了传统神经突触器件信号处理的带宽限制和电磁干扰。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面本发明提供一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：包括忆阻器和设置在所述忆阻器上方的晶体硅棱镜，所述忆阻器自下而上具有“底电极/第一a-SiNx阻变层/第二a-SiNx阻变层/顶电极”垂直四层结构，所述晶体硅棱镜的折射率不小于所述第二a-SiNx阻变层的折射率，使得电调制下近红外光经晶体硅棱镜射入至“第一a-SiNx阻变层/第二a-SiNx阻变层”双阻变层，引起顶电极与第二a-SiNx阻变层之间界面的等离子体产生共振。
进一步地，本发明中忆阻器和晶体硅棱镜之间还设有晶体硅晶片。
进一步地，本发明中顶电极的材料选自金属银或金，其厚度为30nm～60nm。
进一步地，本发明中底电极的材料选自金属铂、金属铝或P型重掺杂a-Si材料，其厚度为100nm～500nm。作为优选实施方式，所述底电极为圆形电极阵列，阵列单元直径为5μm～300μm，相邻阵列单元的边缘间距为5μm～20μm。
进一步地，本发明中第一a-SiNx阻变层可以为纯a-SiNx薄膜，也可以为含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜；本发明中第二a-SiNx阻变层为含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜，并且其金属纳米颗粒含量高于第一a-SiNx阻变层的金属纳米颗粒含量。所述金属纳米颗粒选自Ag、Cu或Al。
作为优选方式，所述第一a-SiNx阻变层金属纳米颗粒的体积百分数不高于10％，所述第二a-SiNx阻变层金属颗粒的体积百分数为20％～45％。
在a-SiNx材料制备富金属层和缺金属层，用于实现器件的电阻可调性。因为富金属层相比缺金属层具有更高的导电性，这两层之间存在均一的导电前端界面，而导电前端会随着施加电压向富金属层(或者缺金属层)移动，从而导致富金属层(或者缺金属层)在整体器件中的比例变小，进而增加(降低)导电性。
进一步地，本发明中第一a-SiNx阻变层是通过溅射法制得的本征非晶氮氧化硅(a-SiNx)薄膜或者通过共溅射法制得含Ag、Cu和Al其中一种金属的纳米颗粒的非晶氮氧化硅(a-SiNx)薄膜，其厚度为30nm～100nm。
进一步地，本发明中第二a-SiNx阻变层是通过共溅射法制得含Ag、Cu和Al其中一种金属的纳米颗粒的非晶硅(a-SiNx)薄膜，其厚度为10nm～50nm。
进一步地，本发明中光信号为TM偏振光，其波长范围为800nm～1700nm。
另一方面本发明提供一种基于上述a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：忆阻器的制作：
A1：在晶体硅晶片的底面沉积金属层作为顶电极；
A2：在所述顶电极底面形成双阻变层窗口，然后在已涂胶并图形化的顶电极的底面上依次沉积a-SiNx薄膜作为第二a-SiNx阻变层和第一a-SiNx阻变层，所述第一a-SiNx阻变层为本征非晶氮氧化硅薄膜或者含有金属纳米颗粒的非晶氮氧化硅(a-SiNx)薄膜，所述第二a-SiNx阻变层为含有金属纳米颗粒的非晶氮氧化硅(a-SiNx)薄膜，且其金属纳米颗粒含量较第一aa-SiNx阻变层高待沉积完成后剥离多余的“第二a-SiNx阻变层/第一a-SiNx阻变层”双阻变层；
A3：在所述第一a-SiNx阻变层的底面形成底电极图案，然后在已涂胶并图形化的第一a-SiNx阻变层上沉积金属层，待沉积完成后剥离多余的金属层，制得位于第一a-SiNx阻变层底面的底电极；至此制得忆阻器；
步骤B：神经突触器件的制作：
将晶体硅棱镜和经步骤A得到的忆阻器相粘合，至此完成SPR神经突触器件的制备。
进一步地，本发明中忆阻器的制作可以直接在晶体硅棱镜底面进行，即省去晶体硅晶片和粘合操作，直接在晶体硅棱镜的底面制作“底电极/第一a-SiNx阻变层/第二a-SiNx阻变层/顶电极”垂直四层结构的忆阻器。
进一步地，本发明中底电极、第一a-SiNx阻变层和第二a-SiNx阻变层的沉积均采用物理气相沉积法结合光刻工艺实现。
本发明的基本原理是：晶体硅棱镜相对双阻变层的折射率较大，这样当特定波长的入射光从晶体硅棱镜的入射面以入射角θs射到晶体硅棱镜或晶体硅晶片的底部时，入射光在晶体硅棱镜或晶体硅晶片下方的顶电极表面产生倏逝波，进而与“顶电极/第二-Si阻变层”界面处的表面等离子体产生共振(SPR)，使得满足该入射角θs的光信号被强烈吸收，而被强烈吸收的光信号经反射自晶体硅棱镜的出射面输出具有最小幅值。当在器件顶电极和底电极之间施加偏压(电调制)时，第二a-SiNx阻变层和第一a-SiNx阻变层的界面在电场作用下将发生移动，使得顶电极和底电极之间双阻变层的介电常数发生改变，进而使得入射光与顶电极的表面等离子体共振(SPR)条件随之发生变化，此时，如若光信号仍然按照与前述相同的入射角θs射到晶体硅棱镜或晶体硅晶片底部时，由于入射光与顶电极的SPR条件发生变化，也就是使得上述出现最小光幅值的“极值”条件遭到破坏，进而减弱等离子吸收作用，使得经由在晶体硅棱镜出射面检测到的输出光信号的强度增强；这时候就需要改变入射光的入射角θs，使得入射光与顶电极重新满足SPR条件，从而再次使得经反射后自晶体硅棱镜的出射面输出的光信号具有最小的幅值，具体是通过改变施加于顶电极与底电极之间电压的偏置条件(电调制)，使第二a-SiNx阻变层和第一a-SiNx阻变层界面推移按照渐变、可逆(正反电压切换)的方式进行。对于任意一个第二a-SiNx阻变层和第一a-SiNx阻变层之间界面位置(其对应于突触权重)，满足SPR条件的光入射角θs总是唯一的。因此，在电调制的一个周期内，通过偏置电压驱动第二a-SiNx阻变层和第一a-SiNx阻变层之间界面位置的变化，可实现“第一a-SiNx阻变层/第二a-SiNx阻变层”双阻变层的阻值连续变化或突触权重的连续变化，进而使得满足SPR条件的入射角θs随之也发生改变。显然，在本发明提出的神经突触器件中，突触权重与表面等离子体共振入射角θs存在一一对应关系，基于此得以实现忆阻神经突触器件的“电调制，光读取”。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明神经突触器件将微电子元件忆阻器和光学棱镜相结合，具体是将大折射率元件——晶体硅棱镜与“顶电极/a-SiNx∶金属纳米颗粒双阻变层/底电极”忆阻器结构相耦合，以此保证入射光沿折射率较大材料进入到折射率较小的双阻变层，有助于避免掠入射，减少光损耗，并运用表面等离子体共振(SPR)效应，使得器件工作过程中阻变层的介电常数变化信息以光信号进行读取，进而实现突触权重的光读取。因为光信号具有带宽大、抗电磁干扰能力强的特点，因此，本发明所提出的“电调制，光读取”神经突触器件传统“电调制，电读取”神经突触器件无法比拟的优势，其不仅具有传统忆阻器低能耗、非易失性等特性，而且还具有光作为信息载体进行信号处理带宽大、抗电磁干扰能力强的优势。。
附图说明
图1是本发明的器件结构1示意侧视图。
图2是本发明的器件结构2示意俯视图。
图3是本发明的器件结构示意俯视图。
附图中标记的含义为：
1为底电极，2为第一a-SiNx阻变层，3为第二a-SiNx阻变层，4为顶电极，5为晶体硅晶片，6为晶体硅棱镜。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，以期本领域技术人员能够理解本发明的原理及特性。
实施例1：
一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其结构如图1所示：包括忆阻器和设置在所述忆阻器上方的晶体硅棱镜6，本实施例中晶体硅棱镜6是由晶体硅加工而成的三棱镜，所述忆阻器自下而上具有“底电极1/第一a-SiNx阻变层2/第二a-SiNx阻变层3/顶电极4”垂直四层结构，本实施例中顶电极4为沉积在晶体硅棱镜6底面的金属银Ag，第二a-SiNx阻变层3为含有Ag纳米颗粒的a-SiNx薄膜，其Ag纳米颗粒的体积分数为40％，第一a-SiNx阻变层2为含有Ag纳米颗粒的a-SiNx薄膜，其Ag纳米颗粒的体积分数为5％，顶电极4为沉积在第一a-SiNx阻变层2底面的金属铂Pt；所述晶体硅棱镜6的折射率不小于第二a-SiNx阻变层3的折射率，使得电调制下，即调节施加在顶电极4和底电极1之间的电压，光信号经晶体硅棱镜射入至“第一a-SiNx阻变层2/第二a-SiNx阻变层3”双阻变层，引起顶电极4和第二a-SiNx阻变层3之间界面的等离子体产生共振。
下面还提供了上述基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件的制备方法，具体的工艺流程如下：
步骤一：准备晶体硅棱镜6，其底面的长和宽均为15mm；
步骤二：对晶体硅棱镜6进行清洗和干燥处理；
步骤三：采用物理气相沉积法在晶体硅棱镜6底面形成厚度为60nm的金属银薄膜作为顶电极4；
步骤四：在顶电极4表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版经光刻、显影等步骤，形成位于棱镜底面中央且长、宽为10mm×10mm的忆阻器窗口；采用共溅射法在已涂胶并图形化的顶电极4上依次沉积厚度均为50nm的含40％金属银纳米颗粒的第二a-SiNx阻变层3和含5％金属银纳米颗粒的第一a-SiNx阻变层2；使用剥离工艺，剥离顶电极4上方中部10mm×10mm以外的“第一a-SiNx阻变层2/第二a-SiNx阻变层3”双阻变层，获得宽度为2.5mm的顶电极引出窗口；
步骤五：在第一a-SiNx阻变层2表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版经光刻、显影等步骤，形成位于第一a-SiNx阻变层2底面的底电极图案，本实施例采用如图3所示的电极阵列图案；然后采用共溅射法在已涂胶并图形化的第一a-SiNx阻变层2沉积金属铂Pt；使用剥离工艺，剥离多余金属铂Pt，制得底电极1；至此完成器件的制备；
步骤6：最后从顶电极4和底电极1分别引出电极，便于实现神经突触器件功能的测试。
实施例2：
一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其结构如图1所示：包括忆阻器和设置在所述忆阻器上方的晶体硅晶片5和设置在所述晶体硅晶片5上方的晶体硅棱镜6，本实施例中晶体硅棱镜6是由晶体硅加工而成的三棱镜，晶体硅晶片5也是由晶体硅加工而成，晶体硅晶片5晶体硅棱镜6之间最好采用折射率匹配液进行粘合，所述忆阻器自下而上具有“底电极1/第一a-SiNx阻变层2/第二a-SiNx阻变层3/顶电极4”垂直四层结构，本实施例中顶电极4顶电极4为沉积在晶体硅棱镜6底面的金属银Ag，第二a-SiNx阻变层3为含有Ag纳米颗粒的a-SiNx薄膜，其Ag纳米颗粒的体积分数为40％，第一a-SiNx阻变层2为含有Ag纳米颗粒的a-SiNx薄膜，其Ag纳米颗粒的体积分数为5％，底电极1为沉积在第一a-SiNx阻变层2底面的金属铝Al；所述晶体硅棱镜6的折射率不小于所述第二a-SiNx阻变层3的折射率，使得电调制下，即调节施加在顶电极4和底电极1之间的电压，光信号经晶体硅棱镜射入至“第一a-SiNx阻变层2/第二a-SiNx阻变层3”双阻层，引起顶电极4和第二a-SiNx阻变层3之间界面的等离子体产生共振。
下面还提供了上述基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件的制备方法，具体的工艺流程如下：
步骤一：准备晶体硅棱镜6和同材质的晶体硅晶片5，晶体硅棱镜6底面的长和宽均为15mm，晶体硅晶片5的长和宽均为15mm，厚度为1,1mm；
步骤二：对晶体硅棱镜6和晶体硅晶片5进行清洗和干燥处理；
步骤三：采用物理气相沉积法在晶体硅晶片5底面形成厚度为60nm的金属银薄膜作为顶电极4；
步骤四：在顶电极4表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版经光刻、显影等步骤，形成位于棱镜底面中央且长、宽为10mm×10mm的忆阻器窗口；采用共溅射法在已涂胶并图形化的顶电极4上依次沉积厚度均为50nm的含40％金属银纳米颗粒的第二a-SiNx阻变层3和含5％金属银纳米颗粒的第一a-SiNx阻变层2；使用剥离工艺，剥离顶电极4上方中部10mm×10mm以外的“第一a-SiNx阻变层2/第二a-SiNx阻变层3”双阻变层，获得宽度为2.5mm的顶电极引出窗口；
步骤五：在第一a-SiNx阻变层2表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜版经光刻、显影等步骤，形成位于第一a-SiNx阻变层2底面的底电极图案，本实施例采用如图3所示的电极阵列图案；然后采用磁控溅射法在已涂胶并图形化的第一a-SiNx阻变层2沉积金属铝Al；使用剥离工艺，剥离多余金属铝Al，制得底电极1；
步骤6：使用折射率匹配液将晶体硅棱镜6底面和晶体硅晶片5未沉积忆阻器的一面耦合，至此完成器件的制备；
步骤7：最后从顶电极4和底电极1分别引出电极，便于实现神经突触器件功能的测试。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。
Claims (10)
1.一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：包括忆阻器和设置在所述忆阻器上方的晶体硅棱镜，所述忆阻器自下而上具有“底电极/第一a-SiNx阻变层/第二a-SiNx阻变层/顶电极”垂直四层结构，所述晶体硅棱镜的折射率不小于所述第二a-SiNx阻变层的折射率，使得电调制下近红外光经晶体硅棱镜射入至“第一a-SiNx阻变层/第二a-SiNx阻变层”双阻变层，引起顶电极与第二a-SiNx阻变层之间界面的等离子体产生共振。
2.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述忆阻器和晶体硅棱镜之间还设有晶体硅晶片。
3.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述顶电极为金属银或金，其厚度为30nm～60nm；所述底电极为金属铂、金属铝或P型重掺杂a-SiNx材料，其厚度为100nm～500nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述第一a-SiNx阻变层为纯a-SiNx薄膜；所述第二a-SiNx阻变层为含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜；所述金属纳米颗粒选自、Ag、Cu或Al。
5.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述第一a-SiNx阻变层为含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜；所述第二a-SiNx阻变层为含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜，且所述第二a-SiNx阻变层中金属纳米颗粒含量高于所述第一a-SiNx阻变层中金属纳米颗粒含量；所述金属纳米颗粒选自、Ag、Cu或Al。
6.根据权利要求6所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述第一a-SiNx阻变层中金属纳米颗粒的体积百分数不高于10％；所述第二a-SiNx阻变层金属颗粒的体积百分数为20％～45％。
7.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述近红外光为TM偏振光，其波长范围为800nm～1700nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件，其特征在于：所述第一a-SiNx阻变层的厚度为30nm～100nm；所述第二a-SiNx阻变层的厚度为10nm～50nm。
9.一种a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：忆阻器的制作：
A1：在晶体硅晶片的底面沉积金属层作为顶电极；
A2：在所述顶电极的底面形成双阻变层窗口，然后在已涂胶并图形化的顶电极的底面上先后两次分别沉积a-SiNx薄膜依次作为第二a-SiNx阻变层和第一a-SiNx阻变层，所述第一a-SiNx阻变层为本征a-SiNx薄膜或者含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜，所述第二a-SiNx阻变层为含有金属纳米颗粒的a-SiNx薄膜，且其金属纳米颗粒含量较第一a-SiNx阻变层高，待沉积完成后剥离多余的“第二a-SiNx阻变层/第一a-SiNx阻变层”双阻变层；
A3：在所述第一a-SiNx阻变层的底面形成底电极图案，然后在已涂胶并图形化的第一a-SiNx阻变层上沉积金属层，待沉积完成后剥离多余的金属层，制得位于第一a-SiNx阻变层底面的底电极；至此制得忆阻器；
步骤B：神经突触器件的制作：
将晶体硅棱镜和经步骤A得到的忆阻器相粘合，至此完成SPR神经突触器件的制备。
10.根据权利要求1所述的一种基于a-SiNx忆阻效应的SPR神经突触器件的制备方法，其特征在于：所述忆阻器的制作直接在晶体硅棱镜的底面进行。
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