CN109830534A - 基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件及制备方法，该神经突触器件包括栅电极、介电层、源电极、漏电极、半导体纳米晶体沟道薄膜。本发明的神经突触器件利用半导体纳米晶体优异的光电特性，可以接受光刺激与电刺激，模拟出生物神经突触的一系列功能；此外利用平面晶体管结构，在兼容传统硅基半导体工艺的同时，实现了超低的能量消耗。本发明的神经突触器件具有工艺简单，功耗低，易于集成的特点。
Description
技术领域
本发明涉及神经拟态计算技术领域，具体涉及一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件及制备方法。
背景技术
随着物联网、大数据和人工智能领域的兴起，人们对低能耗、高适应性计算的需求日益增长，传统冯·诺依曼计算已经难以满足人类社会的需求。神经拟态计算具有与传统冯·诺依曼计算完全不同的信息处理方式，通过模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力。在大脑中，神经元是通过修改生物突触之间的突触权重来实现学习和记忆等功能的，这表明了对于神经拟态计算的实现，人工突触(即神经突触器件)的发展至关重要。
在过去的几年里，许多具有忆阻器和场效应晶体管(FET)结构的神经突触器件已经被制造出来。具有场效应晶体管结构的神经突触器件具有易编程和易集成的特点，得到了很多研究者的关注。
在本发明中，我们通过使用半导体纳米晶体制备了晶体管型神经突触器件。本发明的神经突触器件利用了半导体纳米晶体优异的光学性质和电学性质，可以接受光刺激与电刺激，模拟出生物突触的一系列功能。我们利用光刺激和电刺激的协同作用，实现了基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件的可塑性。基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件的能耗可以非常低，能应用于未来进行高性能神经拟态计算的人工神经网络中。
发明内容
本发明的目的在于面向未来的神经拟态计算，提供一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件及制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件，包括：栅电极、介电层、源电极、漏电极、半导体纳米晶体沟道薄膜；其中，所述栅电极一侧与一层介电层接触；介电层、源电极、漏电极、半导体纳米晶体沟道薄膜均在栅电极的同一侧，且源电极与栅电极、漏电极与栅电极、半导体纳米晶体沟道薄膜与栅电极之间均隔着一层介电层；栅电极、源电极与漏电极互不接触，且半导体纳米晶体沟道薄膜处于源电极与漏电极之间。
进一步的，所述介电层材料为二氧化硅或其它介电材料，介电层应能将栅电极与源电极、漏电极、半导体纳米晶体沟道薄膜隔离起来，阻止器件漏电，从而使得栅电极对晶体管沟道材料的导电性有良好的调控性能。
进一步的，所述半导体纳米晶体沟道薄膜为硅纳米晶体薄膜或其它半导体纳米晶体薄膜，纳米晶体的尺寸为1至100纳米，本发明的神经突触器件的性能主要取决于半导体纳米晶体沟道材料的选取，因此半导体纳米晶体沟道材料的选取需要结合需求与材料的性能各方面综合考虑。
进一步的，所述源电极为金属薄膜电极，源电极材料的选取要考虑到金属材料与半导体纳米晶体能级的匹配度。
进一步的，所述漏电极为金属薄膜电极，漏电极材料的选取要考虑到金属材料与半导体纳米晶体能级的匹配度。
一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件及制备方法，包括以下步骤：
(1)在栅电极的表面生成一层介电层；
(2)在介电层上生长一对相邻的源电极与漏电极；
(3)在介电层上生长一层半导体纳米晶体沟道薄膜，得到基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件。
本发明具有以下有益效果：
1.当半导体纳米晶体沟道材料受到外界刺激时，半导体纳米晶体价带上的电子受激发跃迁到导带上，由于部分电子被半导体纳米晶体的表面缺陷捕获而没有回到价带，被捕获的电子产生的栅压效应导致了沟道材料空穴浓度的减小，从而引起了源漏电流的减小。当刺激结束后，被捕获的电子由于热力学波动经过较长时间缓慢释放回到价带，从而模拟出生物突触权重的可塑性。
2.本发明基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件半导体纳米晶体优异的光学性质和电学性质，可以接受光脉冲刺激和电脉冲刺激，光刺激和电刺激都能实现一系列重要的突触功能，能够很好地模拟出生物学突触行为。更重要的是，基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件，通过光栅压和电栅压的共同作用可以实现联想学习。
3.基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件由于能够实现超低的能量消耗(低至约0.35pJ)，有望应用于未来高智能和高能效计算领域。
附图说明
图1为本发明基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件的结构示意图。
图2为本发明基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件的能耗图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件，包括：：栅电极1、介电层2、源电极3、漏电极4、半导体纳米晶体沟道薄膜5；其中，所述栅电极1一侧与一层介电层接触2；介电层2、源电极3、漏电极4、半导体纳米晶体沟道薄膜5均在栅电极的同一侧，且源电极3与栅电极1、漏电极4与栅电极1、半导体纳米晶体沟道薄膜5与栅电极1之间均隔着一层介电层2；栅电极1、源电极3与漏电极4互不接触，且半导体纳米晶体沟道薄膜5处于源电极3与漏电极4之间。
进一步的，所述介电层2材料为二氧化硅或其它介电材料，介电层2应能将栅电极与源电极、漏电极、半导体纳米晶体沟道薄膜隔离起来，阻止器件漏电，从而使得栅电极对晶体管沟道材料的导电性有良好的调控性能，作为优选，所述介电层2材料为二氧化硅，厚度为150nm。
进一步的，所述半导体纳米晶体沟道薄膜5为硅纳米晶体薄膜或其它半导体纳米晶体薄膜，纳米晶体的尺寸为1至100纳米，本发明的神经突触器件的性能主要取决于半导体纳米晶体沟道材料的选取，作为优选，所述半导体纳米晶体沟道薄膜5为硼掺杂的硅纳米晶体沟道薄膜，掺杂浓度为40％，制备方法为冷等离子体法制备。
进一步的，所述源电极3为金属薄膜电极，源电极3材料的选取要考虑到金属材料与半导体纳米晶体能级的匹配度，作为优选，所述源电极3材料为金或铬/金合金；
进一步的，所述漏电极4为金属薄膜电极，漏电极4材料的选取要考虑到金属材料与半导体纳米晶体能级的匹配度，作为优选，所述漏电极4材料为金或铬/金合金。
本实施例的基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件通过如下步骤制备得到：
(1)在p型硅的上表面热氧化生长二氧化硅介电层2，所用的p型硅作为栅电极1，其电阻率为1-3Ω·cm，二氧化硅介电层2的厚度为150nm；
(2)在二氧化硅介电层2上通过电子束沉积和热蒸发技术生长两个相邻的铬/金合金薄膜作为一对相邻的源电极3与漏电极4，铬的厚度为10nm，金的厚度为150nm，沟道长度为10微米，宽度为120微米；
(3)室温下在二氧化硅介电层2上滴涂45微升4mg/mL的掺硼量子点的乙醇溶液，密闭自然挥发3小时后，150摄氏度退火20分钟，形成半导体纳米晶体沟道薄膜5，得到基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件。
本实例制备的基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件工作在-5V-5V源漏电压下，光刺激和电刺激下单个神经突触活动所消耗的能量如图2所示。其中负极接在源电极3上，正极接在漏电极4上，当对基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件进行脉宽为200毫秒的刺激时，光刺激和电刺激的功耗分别为0.39纳焦和0.35皮焦，证实了本发明的基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件能够实现超低的能量消耗。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。
Claims (6)
1.一种基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件，其特征在于，包括：栅电极(1)、介电层(2)、源电极(3)、漏电极(4)、半导体纳米晶体沟道薄膜(5)；其中，所述栅电极(1)一侧与一层介电层接触(2)；介电层(2)、源电极(3)、漏电极(4)、半导体纳米晶体沟道薄膜(5)均在栅电极(1)的同一侧，且源电极(3)与栅电极(1)、漏电极(4)与栅电极(1)、半导体纳米晶体沟道薄膜(5)与栅电极(1)之间均隔着一层介电层(2)；栅电极(1)、源电极(3)与漏电极(4)互不接触，且半导体纳米晶体沟道薄膜(5)处于源电极(3)与漏电极(4)之间。
2.根据权利要求1所述的晶体管型神经突触器件，其特征在于，所述介电层(2)材料为二氧化硅或其它介电材料。
3.根据权利要求1所述的晶体管型神经突触器件，其特征在于，所述源电极(3)为金属薄膜电极。
4.根据权利要求1所述的晶体管型神经突触器件，其特征在于，所述漏电极(4)为金属薄膜电极。
5.根据权利要求1所述的晶体管型神经突触器件，其特征在于，所述半导体纳米晶体沟道薄膜(5)为硅纳米晶体薄膜或其它半导体纳米晶体薄膜，纳米晶体的尺寸为1至100纳米。
6.一种制备如权利要求1所述的晶体管型神经突触器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在栅电极(1)的表面生成一层介电层(2)；
(2)在介电层(2)上生长一对源电极(3)与漏电极(4)；
(3)在介电层(2)上生长一层半导体纳米晶体沟道薄膜(5)，得到基于半导体纳米晶体的晶体管型神经突触器件。
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