CN109473549A - 一种基于二维半导体材料的突触晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于二维半导体材料的突触晶体管及其制备方法，包括绝缘衬底和位于衬底上的沟道和源、漏、栅电极，沟道为二维半导体材料，源、漏分别位于沟道两端，并与沟道材料形成欧姆接触；栅电极与沟道、源和漏组成的电学互联体系保持电子绝缘；在沟道区域与大部分栅电极上覆盖有有机物电解质，其包含对电子绝缘的有机物载体和可迁移的离子，形成栅对沟道材料的有效离子调控。本发明利用离子附着‑嵌入机制，结合二维材料表面积大、阻值可调整的特点，使器件展现出长时程、短时程突触可塑性，且两种特性可随栅信号的改变而发生相互转变。同时，器件具有良好的线性度和超低运算功耗，有利于高精度神经形态器件的实现和大规模集成应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及突触晶体管，具体涉及一种基于二维半导体材料的突触晶体管的器件结构设计及其制备方法。
背景技术
近年来，由于可能实现的极高运算效率、极低运算功耗和可能替代冯诺依曼计算架构的巨大潜力，神经形态计算广受关注。人们对实现神经形态器件的基本单元——神经形态器件的关注也因此日益增长。其中，模拟生物突触形态和功能的突触器件更是得到了高度重视。
生物突触具有突触前膜-突触间隙-突触后膜的结构，人工突触器件同样具备相似的结构。以阻变存储器、相变存储器为代表的传统突触器件，利用半导体或掺杂绝缘体作为突触间隙材料，金属电极作为突触前、后膜，可实现类似于生物突触的部分行为，如兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)等，为实现神经形态计算打下一定基础。
但是，为了实现突触功能并应用于高效、高精度的神经形态计算，突触器件不仅需要具备丰富的突触可塑性——如随时间变化的突触可塑性(STDP)、随频率变化的突触可塑性(SRDP)，还需具有良好的线性度与对称性。传统神经形态器件很难同时实现上述功能。因而近年来关于新结构、新材料神经形态器件的研究愈发受到重视，如何利用人工突触器件实现生物功能并实现超低功耗高效计算成为近年来半导体器件的研究热点和重点之一。
传统两端器件难以实现较为复杂的仿生功能和超低的功耗，因而三端器件逐渐受到重视和研究。在本发明之前，关于三端离子栅器件的研究主要包括中科院物理所基于MoO3、WO3等氧化物材料沟道和离子液体制备的离子栅突触晶体管；美国Sandia国家实验室Alec Talin课题组基于LixCoO2沟道、LixSi电极和LiPON固态电解质材料实现的全固态离子栅突触晶体管(LISTA)；Alec Talin课题组基于PEDOT∶PSS/PEI材料沟道、全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物(Nafion)电解质制备的柔性离子栅突触晶体管。
其中，基于MoO3、WO3等材料沟道和离子液体制备的离子栅突触晶体管存在的主要问题有：
1)MoO3等晶体材料层间通过共价键连接，共价键的存在使得层间相互作用相对紧密，无法实现较大离子的嵌入，因此离子只能在材料上表面附着，实现上层材料的阻值转变，难以实现对较厚沟道材料阻值的有效调控；
2)器件线性度、对称性相对较差，不利于实现高精度人工神经形态计算；
3)由于对沟道材料阻值调控主要发生在材料表面，为实现有效电阻调控，需使沟道材料厚度相对较薄(类似硅基CMOS技术中的超薄体结构)，以避免下层材料产生泄漏电流等，这对材料生长工艺要求较高；
4)氧化物材料半导体性较弱，难以在调控下形成较大范围的电阻转变(通常只发生2倍之内的电阻阻值变化)，不利于对生物突触信号进行模拟，也不利于后续电路的信号处理；
5)由于电阻调控困难，通常需要在源漏端施加较高电压脉冲(～2.5V)以实现电流较为显著的变化，这导致泄漏电流增加、器件功耗显著上升；
6)离子液体为液态，易流动，不利于器件的稳定性和集成。
基于含锂化合物的固态突触晶体管(LISTA)的主要问题在于：
1)钴酸锂本身半导体性不强，难以在小电压下对其实现有效阻值调控，因而需要较高工作电压(～4V)以实现较大阻值转变，但通常阻值转变只在2倍之内；
2)钴酸锂体系不是常规半导体体系，利用其制备器件困难，不利于大规模集成应用；
3)钴酸锂沟道材料对源漏材料有较高要求，只能是富含锂离子的材料，不利于器件的拓展应用；
柔性离子栅突触晶体管的主要问题在于：
1)有机物沟道材料难以通过现有工艺有效实现尺寸等比例缩小，因而难以实现器件高密度集成；
2)有机物沟道材料性质通常不够稳定，难以实现长期工作的目标；
3)有机物沟道材料半导体性不明显，阻值变化幅度小，难以实现高效的离子调控。
可见，现有突触器件难以同时实现良好的稳定性、较低的运算功耗并具备大规模集成应用的潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种可实现多种生物突触可塑性、运算功耗极低且具有良好线性度和对称性的突触晶体管，以用于高精度神经形态计算和大规模集成应用。
为实现本发明的目的，本发明提出了一种基于二维半导体材料的突触晶体管结构及其制备方法，采用的技术方案如下：
一种突触晶体管，包括绝缘衬底和位于衬底上的沟道、源电极、漏电极和栅电极，其中，所述沟道为二维半导体材料，源电极和漏电极分别位于沟道的两端，并与沟道二维半导体材料形成紧密的欧姆接触；所述栅电极与沟道材料、源电极和漏电极形成的电学互联体系保持电子绝缘；在沟道区域与大部分栅电极上覆盖有有机物电解质，所述有机物电解质包含对电子绝缘的有机物载体和可迁移的离子。
上述突触晶体管中，源漏电极用于读出沟道材料的阻值变化；有机物电解质覆盖住沟道材料外表面及栅电极的大部分区域，通过有机物电解质中的离子可以形成栅对沟道材料的有效离子调控。
上述晶体管利用离子附着-嵌入机制、结合二维材料表面积大、阻值可调整的材料特点，使器件展现出长时程、短时程突触可塑性，且两种特性可随栅信号的改变而发生相互转变。同时，器件具有良好的线性度，和低至30fJ/spike的超低运算功耗，有利于高精度神经形态器件的实现和大规模集成应用。
优选的，所述绝缘衬底为表面为二氧化硅的硅衬底，通常通过热氧化方法在硅衬底表面生长约300nm厚的致密二氧化硅。形成沟道的二维半导体材料的制备可由机械剥离法或化学气相淀积等方法实现。二维半导体材料的种类包括但不限于半导体性石墨烯、过渡金属硫族化合物、过渡金属-磷-硫族化合物等具有半导体特性的层状材料，例如MoS2、MoSe2、WSe2、WS2、NiPS3、、NiPSe3、FePS3、FePSe3、黑磷和半导体性石墨烯等。适合器件工作的二维半导体材料的厚度为100nm以下，以5-30nm为宜。
采用二维半导体材料作为沟道材料有利于提升对器件沟道电阻的调控能力，从而提升突触器件的性能。具体说来，突触器件工作基于沟道材料的阻值转变，而实现沟道材料阻值转变的两种基本方式为离子在材料表面附着和离子在材料中嵌入。相比在基于金属氧化物薄膜的突触器件中，通常只能实现离子在材料表面的附着。基于二维半导体材料沟道的突触器件在实现表面附着的同时，二维材料的层状结构也有利于实现离子在材料层间的嵌入，从而可实现对器件沟道阻值更为高效的调控。
进一步地，所述源、漏、栅电极可采用多种金属材料组合，如Au/Ti、Au/Pd、Au/Pt、Au/Cr、Au/Sc、Pt/Ti等。其中上层金属厚度为20-100nm，下层金属厚度为10-20nm。
进一步地，所述有机物电解质为有机物载体与金属盐的混合物，可采用多种材料组合。所述有机物载体优选为有机高分子聚合物，例如聚氧化乙烯、聚醚酰亚胺等；所述金属盐包括但不限于高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸镁、高氯酸钾、高氯酸铯、硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铯和硫酸镁等。可采用任意有机高分子聚合物∶金属盐体系。有机载体与金属盐的质量比一般大于1:1。在本发明的一个实施例中，所述有机电解质为聚氧化乙烯(PEO)∶高氯酸锂体系，它们的混合质量比为9∶1。
采用如聚氧化乙烯∶高氯酸锂的有机高分子聚合物∶金属离子盐的材料体系有利于提升突触器件的稳定性、集成度，并降低器件涨落。具体说来，相比离子液体等液态材料，有机高分子聚合物∶金属盐体系呈固态，可有效避免液体流动性对器件集成的影响，有利于器件高密度集成。同时，呈固态的体系可以有效减小湿度、振动等环境因素对器件稳定性的影响，有利于增强器件的可靠性、一致性，有效抑制涨落。
本发明还提供上述基于二维半导体材料的突触晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1)将二维半导体材料薄片转移至绝缘衬底上表面；
2)光刻定义源、漏、栅电极图形；
3)淀积电极金属，剥离形成源、漏、栅电极，去除光刻胶；
4)使有机物电解质覆盖沟道区域和大部分栅电极区域。
上述步骤1)中，所述二维半导体材料可以通过机械剥离法从块状材料上获得并转移至绝缘衬底上。所述绝缘衬底可以通过在硅衬底上经热氧化方式生长300nm厚的致密二氧化硅获得。
上述步骤2)优选利用电子束光刻同时定义源、漏、栅电极图形。
上述步骤3)优选利用电子束蒸发镀膜淀积电极金属，剥离形成源、漏、栅电极。
上述步骤4)优选先将有机物电解质的成分溶解于溶剂中，通过滴涂或其他方式在沟道和栅极上方形成有机物电解质区域，覆盖住沟道区域和大部分栅电极区域，然后通过蒸发除去溶剂，使有机物电解质凝固。
本发明的突触晶体管具有明显的技术优势，主要体现在：
1、沟道材料为二维半导体材料，可在离子控制下在1V的栅压内实现超过6个数量级的极为显著的电阻变化，实际工作电压可低至约0.1V(即具有极低的关态泄漏电流和较高的开态电流)。因此，可有效模拟生物中突触信号的传递，降低器件的关态泄漏，实现与生物突触可比拟的超低运算功耗(～10fJ/spike)，也有利于模拟电路的实现。
2、沟道材料为固态半导体材料，稳定性好、与传统微电子制造工艺基本兼容，可实现有效尺寸缩小和大规模集成，具有良好而广阔的应用前景。
3、沟道材料不同于传统块体半导体材料，而是具有二维层状结构，层间间隙大，层间没有共价键，仅通过较弱的分子间作用力连接，因而可实现锂离子等金属离子的有效嵌入，从而获得极强的离子调控能力。即使材料层厚相对较厚，也可实现出色的离子调控。利用离子嵌入机制，该器件可模拟生物中钙离子通过细胞膜的过程，同时实现长时程和短时程的突触可塑性，有效实现高精度仿生。
4、有机物电解质对电子绝缘但对离子有良好导通作用，利用其实现了栅电极对沟道材料电阻的有效离子调控。通过改变栅电极上施加脉冲信号的强度和脉宽，可实现对沟道材料电导的精确控制。
5、有机物电解质材料在器件工作中为固态，有利于增强器件的工作稳定性与耐久性。
6、由于有机物电解质有效阻隔了电子泄漏，三端晶体管结构将器件的读写操作有效分开，使得高电压的写入操作并不会带来常规两端器件中的高电流，因而大大降低了器件的运算功耗，实现了可与生物突触相比的超低运算功耗。
7、由于采用了离子附着-嵌入的工作机制，对该器件施加一个栅脉冲导致的沟道材料电导变化量近似相同，从而实现了高线性度、高对称性的长时程激励-抑制特性，有利于高精度神经形态计算的实现。
本发明的突出晶体管相比传统突触器件具有极大的优越性，对可调控纳米离子器件的理解与应用有重要的推动作用。
附图说明
图1为本发明实施例制备的突触晶体管所实现的短时程突触可塑性曲线。
图2为本发明实施例制备的突触晶体管所实现的长时程突触可塑性曲线。
图3为本发明实施例制备的突触晶体管所实现的长时程激励-抑制特性曲线。
图4-6显示了本发明实施例的实施步骤，其中：图4为将二维半导体材料转移至衬底上的步骤图；图5为制备源、漏、栅电极的步骤图；图6为滴涂有机物电解质的步骤图；
图4-6中：(a)为俯视图，(b)为(a)图虚线处的截面图；1—衬底；2—二氧化硅；3--沟道材料；4—源电极；5—漏电极；6—栅电极；7—有机物电解质。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明进行进一步描述。
下面实施例分别采用二硒化钨(WSe2)作为沟道材料，Au/Pd作为电极材料，聚氧化乙烯∶高氯酸锂作为有机物电解质，并按9:1的质量比进行配比。下面给出关键工艺步骤所采用的材料，并给出新型突触晶体管器件的实例。
1)选择所采用的绝缘衬底材料，可根据用途进行选择，例如选择上表面热生长300nm二氧化硅的硅衬底；
2)通过机械剥离的方法从块体WSe2材料中获得二维材料薄片，并转移到衬底上表面，如图4所示；此处WSe2仅为材料示例，可用沟道材料包括所有具有二维层状结构且材料阻值可受离子调控的半导体材料，如MoS2、MoSe2、WS2、NiPS3、FePSe3、半导体性石墨烯等。沟道材料的制备方式包括但不限于机械剥离，只要可实现材料向衬底表面的转移即可。
3)在衬底表面旋涂约300nm PMMA-A4光刻胶，通过电子束曝光同时定义源、漏、栅电极图形，显影、定影。此处PMMA-A4光刻胶及厚度仅为示例，实际操作中可选用任何适合进行图形化工艺的光刻胶和相应厚度。
4)利用电子束蒸发镀膜的方式，连续蒸镀20nm Pd和50nm Au，通过剥离形成源、漏、栅电极，如图5所示。此处电极金属仅为示意，可根据沟道材料能带参数选用相应的金属材料，包括但不限于Au/Pd，Au/Ti，Au/Cr，Au/Sc，Pt/Ti，Pd。电极厚度也可根据具体器件结构和工作环境要求进行调节和设定。
5)将聚氧化乙烯和高氯酸锂按9:1的质量比混合，并按10％的质量体积比充分溶解在甲醇中。此处质量比与质量体积比仅为示意，甲醇也可用其它有机溶剂进行替代，譬如乙腈。聚氧化乙烯和高氯酸锂的质量比可在大于1:1的范围内选择，溶质和溶剂的质量体积比可在20％以下的范围内选择。聚氧化乙烯∶高氯酸锂材料也仅为示意，可采用任意有机高分子聚合物∶金属盐体系。有机物高分子包括但不限于聚氧化乙烯、聚醚酰亚胺，金属盐包括但不限于高氯酸锂、硫酸钠、高氯酸铯等。有机高分子聚合物和金属盐可进行任意组合。
6)形成有机物电解质区域，如图6所示，制备方式如下所述：
将聚氧化乙烯∶高氯酸锂甲醇溶液滴涂在器件上方，使其覆盖住沟道区域和大部分栅极区域，应避免有机物电解质溶液对源漏电极过多覆盖；70摄氏度加热3分钟蒸发有机物电解质溶液中的甲醇和水；冷却，使之凝固后静置30分钟。在此过程中，滴涂工艺可采用旋涂、退火、光刻、刻蚀的传统微电子工艺取代，或采用光刻、旋涂、退火、剥离的传统微电子工艺取代，以便于实现器件的大规模集成应用。对具体采用的工艺流程没有要求，只要最终可实现电解质的图形化即可。
对于采用上述方法制备的突触晶体管，采用单个固定脉冲(pulse)测试得到的其特性如图1所示：图1中曲线1显示了器件沟道电导在正向电压脉冲激励下陡增的变化过程；曲线2显示了在撤去正向电压激励后器件沟道电导逐渐降低的变化过程，对应生物中的短时程突触可随性。在正向脉冲下，增加脉冲个数，会导致器件呈现出长时程突触可塑性，如图2所示。即撤去栅信号，器件恢复稳态后沟道材料电导明显高于施加信号前的电导值。证明器件可实现长时程突触可塑性。如图3所示，对于器件长时程激励和抑制特性的观察可以发现，器件的阻值具有线性连续可调的特性，且具有很好的对称性。事实上，该器件展现出了当下单个突触器件可实现的最为优异的线性度和对称性，低至约30fJ/spike的可与生物突触相比的超低运算功耗。满足神经网络计算对于突触器件的特性要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (10)
1.一种突触晶体管，包括绝缘衬底和位于衬底上的沟道、源电极、漏电极和栅电极，其特征在于，所述沟道为二维半导体材料，源电极和漏电极分别位于沟道的两端，并与沟道二维半导体材料形成欧姆接触；所述栅电极与沟道材料、源电极和漏电极组成的电学互联体系保持电子绝缘；在沟道区域与大部分栅电极上覆盖有有机物电解质，所述有机物电解质包含对电子绝缘的有机物载体和可迁移的离子。
2.如权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述二维半导体材料为半导体性石墨烯、过渡金属硫族化合物或过渡金属-磷-硫族化合物。
3.如权利要求2所述的突触晶体管，其特征在于，所述二维半导体材料选自下列材料中的一种或多种：MoS2、MoSe2、WSe2、WS2、NiPS3、NiPSe3、FePS3、FePSe3、黑磷和半导体性石墨烯。
4.如权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述二维半导体材料的厚度在100nm以下。
5.如权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述有机物电解质为有机物载体与金属盐的混合物。
6.如权利要求5所述的突触晶体管，其特征在于，所述有机物载体为有机高分子聚合物。
7.如权利要求6所述的突触晶体管，其特征在于，所述有机高分子聚合物为聚氧化乙烯或聚醚酰亚胺；所述金属盐选自下列化合物中的一种或多种：高氯酸锂、高氯酸钠、高氯酸镁、高氯酸钾、高氯酸铯、硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铯和硫酸镁。
8.如权利要求5所述的突触晶体管，其特征在于，在所述有机物电解质中，有机物载体与金属盐的质量比大于1:1。
9.权利要求1～8任一所述突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)将二维半导体材料薄片转移至绝缘衬底上表面；
2)光刻定义源、漏、栅电极图形；
3)淀积电极金属，剥离形成源、漏、栅电极，去除光刻胶；
4)使有机物电解质覆盖沟道区域和大部分栅电极区域。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤4)先将有机物电解质的成分溶解于溶剂中，在沟道和栅极上方形成有机物电解质区域，覆盖住沟道区域和大部分栅电极区域，然后通过蒸发除去溶剂，使有机物电解质凝固。
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