CN109830598A - 自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法和触觉学习 - Google Patents
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Abstract
本发明提出自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法和触觉学习，自供电多栅极人工突触晶体管包括摩擦纳米发电机和人工突触晶体管装置；摩擦纳米发电机上电极、下电极处均引出供电导线；人工突触晶体管装置的漏电极为输出端；源电极和栅极为信号输入端；源电极、栅极分别与摩擦纳米发电机引出的供电导线相连；信号输入端接受的输入信号为摩擦纳米发电机产生的电压，该突触晶体管的输出信号为经漏电极读取的沟道电流；本发明自带供电模块，能实现基本的逻辑运算功能，并且每个自供电输入栅极都具有数字滤波功能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法和触觉学习。
背景技术
随着大数据时代的到来，用来模拟人脑的集感知、学习和存储于一体的人工智能被提出，然而传统的冯·诺依曼配置中的计算模块和存储器单元的物理分离的限制使其需要高能耗，而大脑在处理大规模并行信息期间的每个突触事件仅消耗1-100fJ。所以，发展一种可以模拟人脑的突触器件显得至关重要。最初用来模拟突触功能的是CMOS器件，但是难以将 CMOS电路做到与大脑相当的尺寸，并且它们比生物突触消耗更多的能量。因此，目前迫切需要发展具有低功耗或自供电的人工突触装置来模拟人脑。
发明内容
本发明提出自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法和触觉学习，自带供电模块，能实现基本的逻辑运算功能，并且每个自供电输入栅极都具有数字滤波功能。
本发明采用以下技术方案。
自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，所述自供电多栅极人工突触晶体管包括摩擦纳米发电机和人工突触晶体管装置；所述摩擦纳米发电机包括下基板（100）、下电极（110）、介质层（120）、上电极（130）和上基板（140），所述下电极设于下基板上；所述介质层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，上电极、下电极处均引出供电导线；
所述人工突触晶体管装置包括衬底（150）、栅介质层（160）、有机半导体层（170）、源电极（190）和漏电极（180）；所述栅介质层设于衬底上，所述有机半导体层设于栅介质层上，栅介质层处设有栅极电极，所述源电极和漏电极分别设于有机半导体层上的两端；
所述人工突触晶体管装置的漏电极为输出端；源电极和栅极为信号输入端；源电极、栅极分别与摩擦纳米发电机引出的供电导线相连；信号输入端接受的输入信号为摩擦纳米发电机产生的电压，该突触晶体管的输出信号为经漏电极读取的沟道电流。
所述人工突触晶体管装置的源电极接地；所述源电极与摩擦纳米发电机下电极引出的供电导线相连；所述栅极电极与摩擦纳米发电机上电极引出的供电导线相连；所述输出信号为向漏电极施加突触晶体管装置的工作电压后读取的沟道电流；所述沟道电流的大小只受到摩擦纳米发电机产生的电压脉冲的影响。
所述人工突触晶体管装置的制备方法包括摩擦纳米发电机制备和人工突触晶体管装置制备；
所述摩擦纳米发电机制备包括以下步骤；
A1、把两块大小约为2 cm×2 cm 的PET 基板清洗干净，作为摩擦纳米发电机的上基板、下基板；
A2、利用磁控溅射在已经清洗干净的基板上溅射金属形成为摩擦纳米发电机的上电极、下电极；
A3、用胶头滴管取充分混合的PDMS溶液旋涂在步骤A3溅射处理所得的下电极上，旋涂速度为1000rpm/min，时间为60s；旋涂完后在120°下退火2 h，形成厚度为100 um的介质层，得到摩擦纳米发电机；
所述人工突触晶体管装置制备包括以下步骤；
B1、把大小约为1.5 cm×1.5 cm带有100nm SiO2的硅片分别在丙酮和异丙醇中分别超声清洗十分钟后，用去离子水洗净然后氮气吹干后作为人工突触晶体管装置的衬底；
B2、用1ml注射器取充分溶解的离子凝胶溶液旋涂在步骤B1洗净的衬底上。旋涂速度为4000rpm/min，时间为60s。旋涂完后在真空箱中真空退火10 h ,退火温度为120℃；得到栅介质层；
B3、将半导体聚合物材料PDVT-10以10 mg/ml的配比溶解于三氯甲烷溶剂中，以此溶液为有机半导体层材料采用旋涂方式制备在步骤B2中所得的离子凝胶上。旋涂速度为1000rpm/min，时间为60 s，然后在150℃下退火10 min，得到厚度为100 nm的有机半导体层薄膜，即为有机半导体层；
B4、采用真空蒸发沉积的方式利用专用掩膜板在步骤B3中所得的有机半导体层上溅射出宽为1 mm，厚度为50 nm的金作为源、漏电极，得到人工突触晶体管装置。
所述摩擦纳米发电机的上、下基板的尺寸均为2 cm×2 cm；所述摩擦纳米发电机下电极和上电极的材质为铜或其他金属材料，厚度为100 nm；所述摩擦纳米发电机的介质层为PDMS、PMMA或其他介质层，厚度为100 um；
所述人工突触晶体管装置的衬底的尺寸为1.5 cm×2 cm，其清洗的方法为；在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗十分钟后，用氮气吹干；所述突触晶体管的栅介质层为离子凝胶，厚度为500 nm至2000 nm；所述有机半导体层为有机聚合物半导体材料,厚度为30nm至100 nm；所述源极和漏极的材质为金或其他金属材料，厚度为20 nm至80 nm。
所述人工突触晶体管装置以多个不同的栅极与多个摩擦纳米发电机提供的栅极电压相互连接。
自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，以上所述的人工突触晶体管装置，其触觉学习以摩擦纳米发电机提供电压信号为有效的触觉输入信号，并通过训练来实现触觉学习。
所述人工突触晶体管装置的多个栅极包括调控端和控制端；当多个相同的摩擦纳米发电机输出不同大小的电压作用在不同的栅极时，随之有机半导体层界面处的电荷会发生不同的变化，其变化的程度与摩擦纳米发电机产生的电压大小正相关；此时，输出电流的变化会受到多个不同摩擦纳米发电机的输出电压脉冲的影响，通过调控脉冲大小和时间，可以实现基本的逻辑运算功能；所述基本的逻辑运算功能包括逻辑与和逻辑或。
所述人工突触晶体管装置的逻辑与运算是通过与栅极调控端相连的一个调控端摩擦纳米发电机和两个与栅极控制端相连的控制端摩擦纳米发电机来实现的；当调控端摩擦纳米发电机产生的电压是正电压时，此时对突触晶体管装置是抑制作用，若两个控制端的摩擦纳米发电机产生的增强作用的电压分别单独施加给突触晶体管装置的栅极时，仅会对该突触晶体管产生较小的电流变化，而当两个摩擦纳米发电机的电压同时给突触晶体管时，会对突触晶体管产生较大的电流，以此实现了逻辑与的功能。
所述人工突触晶体管装置的逻辑或运算是通过与栅极调控端相连的一个调控端摩擦纳米发电机和两个与栅极控制端相连的控制端摩擦纳米发电机来实现的，当调控端摩擦纳米发电机产生的电压是较小的负电压时，此时对突触晶体管是增强作用，紧接着两个控制端的摩擦纳米发电机产生的增强作用的电压单独给突触晶体管的栅极时，会对该突触晶体管产生较大的电流变化，当两个摩擦纳米发电机的电压同时给突触晶体管时，会对突触晶体管产生更大的电流，以此实现了逻辑或的功能。
所述通过训练来实现触觉学习的方法为；当按压多个不同的摩擦纳米发电机输出不同大小的电压脉冲作用在不同的栅极时，随之有机半导体层界面处的电荷会发生不同的变化，其变化的程度与摩擦纳米发电机产生的电压大小正相关；此时，通过调控多个不同的摩擦纳米发电机输出脉冲的前后时间，即相当于不同的触觉按压，模拟了触觉学习的功能。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明通过摩擦纳米发电机产生的电压作为神经突触的前突触脉冲，成功的将机械能转化为电能，有效的解决了人造突触装置的高能耗的问题，实现了自供电的人造突触器件。
（2）本发明通过按压摩擦纳米发电机为突触器件与外界环境提供了更好的连接通道，通过不同的摩擦纳米发电机按压力度实现触觉突触的学习，有助于人机交互的发展。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明的电路示意图（图中TENG-摩擦纳米发电机；G-栅极；S-源极；D-漏极）；
附图3是本发明实现基本逻辑运算的脉冲示意图（图中Tm-调控端；T1、T2-控制端）；
图中：100-下基板；110-下电极；120-介质层；130-上电极；140-上基板；150-衬底；160-栅介质层；170-有机半导体层；180-漏电极；190-源电极；
200-供电导线；210-人工突触晶体管装置；220-摩擦纳米发电机。
具体实施方式
如图1-3所示，自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，所述自供电多栅极人工突触晶体管包括摩擦纳米发电机220和人工突触晶体管装置210；所述摩擦纳米发电机包括下基板100、下电极110、介质层120、上电极130和上基板140，所述下电极设于下基板上；所述介质层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，上电极、下电极处均引出供电导线200；
所述人工突触晶体管装置包括衬底150、栅介质层160、有机半导体层170、源电极190和漏电极180；所述栅介质层设于衬底上，所述有机半导体层设于栅介质层上，栅介质层处设有栅极电极，所述源电极和漏电极分别设于有机半导体层上的两端；
所述人工突触晶体管装置的漏电极为输出端；源电极和栅极为信号输入端；源电极、栅极分别与摩擦纳米发电机引出的供电导线相连；信号输入端接受的输入信号为摩擦纳米发电机产生的电压，该突触晶体管的输出信号为经漏电极读取的沟道电流。
所述人工突触晶体管装置的源电极接地；所述源电极与摩擦纳米发电机下电极引出的供电导线相连；所述栅极电极与摩擦纳米发电机上电极引出的供电导线相连；所述输出信号为向漏电极施加突触晶体管装置的工作电压后读取的沟道电流；所述沟道电流的大小只受到摩擦纳米发电机产生的电压脉冲的影响。
所述人工突触晶体管装置的制备方法包括摩擦纳米发电机制备和人工突触晶体管装置制备；
所述摩擦纳米发电机制备包括以下步骤；
A1、把两块大小约为2 cm×2 cm 的PET 基板清洗干净，作为摩擦纳米发电机的上基板、下基板；
A2、利用磁控溅射在已经清洗干净的基板上溅射金属形成为摩擦纳米发电机的上电极、下电极；
A3、用胶头滴管取充分混合的PDMS溶液旋涂在步骤A3溅射处理所得的下电极上，旋涂速度为1000rpm/min，时间为60s；旋涂完后在120°下退火2 h，形成厚度为100 um的介质层，得到摩擦纳米发电机；
所述人工突触晶体管装置制备包括以下步骤；
B1、把大小约为1.5 cm×1.5 cm带有100nm SiO2的硅片分别在丙酮和异丙醇中分别超声清洗十分钟后，用去离子水洗净然后氮气吹干后作为人工突触晶体管装置的衬底；
B2、用1ml注射器取充分溶解的离子凝胶溶液旋涂在步骤B1洗净的衬底上。旋涂速度为4000rpm/min，时间为60s。旋涂完后在真空箱中真空退火10 h ,退火温度为120℃；得到栅介质层；
B3、将半导体聚合物材料PDVT-10以10 mg/ml的配比溶解于三氯甲烷溶剂中，以此溶液为有机半导体层材料采用旋涂方式制备在步骤B2中所得的离子凝胶上。旋涂速度为1000rpm/min，时间为60 s，然后在150℃下退火10 min，得到厚度为100 nm的有机半导体层薄膜，即为有机半导体层；
B4、采用真空蒸发沉积的方式利用专用掩膜板在步骤B3中所得的有机半导体层上溅射出宽为1 mm，厚度为50 nm的金作为源、漏电极，得到人工突触晶体管装置。
所述摩擦纳米发电机的上、下基板的尺寸均为2 cm×2 cm；所述摩擦纳米发电机下电极和上电极的材质为铜或其他金属材料，厚度为100 nm；所述摩擦纳米发电机的介质层为PDMS、PMMA或其他介质层，厚度为100 um；
所述人工突触晶体管装置的衬底的尺寸为1.5 cm×2 cm，其清洗的方法为；在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗十分钟后，用氮气吹干；所述突触晶体管的栅介质层为离子凝胶，厚度为500 nm至2000 nm；所述有机半导体层为有机聚合物半导体材料,厚度为30nm至100 nm；所述源极和漏极的材质为金或其他金属材料，厚度为20 nm至80 nm。
所述人工突触晶体管装置以多个不同的栅极与多个摩擦纳米发电机提供的栅极电压相互连接。
自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，以上所述的人工突触晶体管装置，其触觉学习以摩擦纳米发电机提供电压信号为有效的触觉输入信号，并通过训练来实现触觉学习。
所述人工突触晶体管装置的多个栅极包括调控端和控制端；当多个相同的摩擦纳米发电机输出不同大小的电压作用在不同的栅极时，随之有机半导体层界面处的电荷会发生不同的变化，其变化的程度与摩擦纳米发电机产生的电压大小正相关；此时，输出电流的变化会受到多个不同摩擦纳米发电机的输出电压脉冲的影响，通过调控脉冲大小和时间，可以实现基本的逻辑运算功能；所述基本的逻辑运算功能包括逻辑与和逻辑或。
所述人工突触晶体管装置的逻辑与运算是通过与栅极调控端相连的一个调控端摩擦纳米发电机和两个与栅极控制端相连的控制端摩擦纳米发电机来实现的；当调控端摩擦纳米发电机产生的电压是正电压时，此时对突触晶体管装置是抑制作用，若两个控制端的摩擦纳米发电机产生的增强作用的电压分别单独施加给突触晶体管装置的栅极时，仅会对该突触晶体管产生较小的电流变化，而当两个摩擦纳米发电机的电压同时给突触晶体管时，会对突触晶体管产生较大的电流，以此实现了逻辑与的功能。
所述人工突触晶体管装置的逻辑或运算是通过与栅极调控端相连的一个调控端摩擦纳米发电机和两个与栅极控制端相连的控制端摩擦纳米发电机来实现的，当调控端摩擦纳米发电机产生的电压是较小的负电压时，此时对突触晶体管是增强作用，紧接着两个控制端的摩擦纳米发电机产生的增强作用的电压单独给突触晶体管的栅极时，会对该突触晶体管产生较大的电流变化，当两个摩擦纳米发电机的电压同时给突触晶体管时，会对突触晶体管产生更大的电流，以此实现了逻辑或的功能。
所述通过训练来实现触觉学习的方法为；当按压多个不同的摩擦纳米发电机输出不同大小的电压脉冲作用在不同的栅极时，随之有机半导体层界面处的电荷会发生不同的变化，其变化的程度与摩擦纳米发电机产生的电压大小正相关；此时，通过调控多个不同的摩擦纳米发电机输出脉冲的前后时间，即相当于不同的触觉按压，模拟了触觉学习的功能。
本发明专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的自供电多栅突触晶体管的制备方法和触觉突触的学习，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，其特征在于：所述自供电多栅极人工突触晶体管包括摩擦纳米发电机和人工突触晶体管装置；所述摩擦纳米发电机包括下基板（100）、下电极（110）、介质层（120）、上电极（130）和上基板（140），所述下电极设于下基板上；所述介质层设于下电极上；所述上电极设于上基板上，上电极、下电极处均引出供电导线；
所述人工突触晶体管装置包括衬底（150）、栅介质层（160）、有机半导体层（170）、源电极（190）和漏电极（180）；所述栅介质层设于衬底上，所述有机半导体层设于栅介质层上，栅介质层处设有栅极电极，所述源电极和漏电极分别设于有机半导体层上的两端；
所述人工突触晶体管装置的漏电极为输出端；源电极和栅极为信号输入端；源电极、栅极分别与摩擦纳米发电机引出的供电导线相连；信号输入端接受的输入信号为摩擦纳米发电机产生的电压，该突触晶体管的输出信号为经漏电极读取的沟道电流。
2.根据权利要求1所述的自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，其特征在于：所述人工突触晶体管装置的源电极接地；所述源电极与摩擦纳米发电机下电极引出的供电导线相连；所述栅极电极与摩擦纳米发电机上电极引出的供电导线相连；所述输出信号为向漏电极施加突触晶体管装置的工作电压后读取的沟道电流；所述沟道电流的大小只受到摩擦纳米发电机产生的电压脉冲的影响。
3.根据权利要求1所述的自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，其特征在于：所述人工突触晶体管装置的制备方法包括摩擦纳米发电机制备和人工突触晶体管装置制备；
所述摩擦纳米发电机制备包括以下步骤；
A1、把两块大小约为2 cm×2 cm 的PET 基板清洗干净，作为摩擦纳米发电机的上基板、下基板；
A2、利用磁控溅射在已经清洗干净的基板上溅射金属形成为摩擦纳米发电机的上电极、下电极；
A3、用胶头滴管取充分混合的PDMS溶液旋涂在步骤A3溅射处理所得的下电极上，旋涂速度为1000rpm/min，时间为60s；旋涂完后在120°下退火2 h，形成厚度为100 um的介质层，得到摩擦纳米发电机；
所述人工突触晶体管装置制备包括以下步骤；
B1、把大小约为1.5 cm×1.5 cm带有100nm SiO2的硅片分别在丙酮和异丙醇中分别超声清洗十分钟后，用去离子水洗净然后氮气吹干后作为人工突触晶体管装置的衬底；
B2、用1ml注射器取充分溶解的离子凝胶溶液旋涂在步骤B1洗净的衬底上；
旋涂速度为4000rpm/min，时间为60s；
旋涂完后在真空箱中真空退火10 h ,退火温度为120℃；得到栅介质层；
B3、将半导体聚合物材料PDVT-10以10 mg/ml的配比溶解于三氯甲烷溶剂中，以此溶液为有机半导体层材料采用旋涂方式制备在步骤B2中所得的离子凝胶上；
旋涂速度为1000 rpm/min，时间为60 s，然后在150℃下退火10 min，得到厚度为100nm的有机半导体层薄膜，即为有机半导体层；
B4、采用真空蒸发沉积的方式利用专用掩膜板在步骤B3中所得的有机半导体层上溅射出宽为1 mm，厚度为50 nm的金作为源、漏电极，得到人工突触晶体管装置。
4.根据权利要求3所述的自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，其特征在于：所述摩擦纳米发电机的上、下基板的尺寸均为2 cm×2 cm；所述摩擦纳米发电机下电极和上电极的材质为铜或其他金属材料，厚度为100 nm；所述摩擦纳米发电机的介质层为PDMS、PMMA或其他介质层，厚度为100 um；
所述人工突触晶体管装置的衬底的尺寸为1.5 cm×2 cm，其清洗的方法为；在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗十分钟后，用氮气吹干；所述突触晶体管的栅介质层为离子凝胶，厚度为500 nm至2000 nm；所述有机半导体层为有机聚合物半导体材料,厚度为30nm至100 nm；所述源极和漏极的材质为金或其他金属材料，厚度为20 nm至80 nm。
5.根据权利要求2所述的自供电多栅极人工突触晶体管的制备方法，其特征在于：所述人工突触晶体管装置以多个不同的栅极与多个摩擦纳米发电机提供的栅极电压相互连接。
6.自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，其特征在于：根据权利要求5所述的人工突触晶体管装置，其触觉学习以摩擦纳米发电机提供电压信号为有效的触觉输入信号，并通过训练来实现触觉学习。
7.根据权利要求6所述的自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，其特征在于：所述人工突触晶体管装置的多个栅极包括调控端和控制端；当多个相同的摩擦纳米发电机输出不同大小的电压作用在不同的栅极时，随之有机半导体层界面处的电荷会发生不同的变化，其变化的程度与摩擦纳米发电机产生的电压大小正相关；此时，输出电流的变化会受到多个不同摩擦纳米发电机的输出电压脉冲的影响，通过调控脉冲大小和时间，可以实现基本的逻辑运算功能；所述基本的逻辑运算功能包括逻辑与和逻辑或。
8.根据权利要求6所述的自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，其特征在于：所述人工突触晶体管装置的逻辑与运算是通过与栅极调控端相连的一个调控端摩擦纳米发电机和两个与栅极控制端相连的控制端摩擦纳米发电机来实现的；当调控端摩擦纳米发电机产生的电压是正电压时，此时对突触晶体管装置是抑制作用，若两个控制端的摩擦纳米发电机产生的增强作用的电压分别单独施加给突触晶体管装置的栅极时，仅会对该突触晶体管产生较小的电流变化，而当两个摩擦纳米发电机的电压同时给突触晶体管时，会对突触晶体管产生较大的电流，以此实现了逻辑与的功能。
9.根据权利要求6所述的自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，其特征在于：所述人工突触晶体管装置的逻辑或运算是通过与栅极调控端相连的一个调控端摩擦纳米发电机和两个与栅极控制端相连的控制端摩擦纳米发电机来实现的，当调控端摩擦纳米发电机产生的电压是较小的负电压时，此时对突触晶体管是增强作用，紧接着两个控制端的摩擦纳米发电机产生的增强作用的电压单独给突触晶体管的栅极时，会对该突触晶体管产生较大的电流变化，当两个摩擦纳米发电机的电压同时给突触晶体管时，会对突触晶体管产生更大的电流，以此实现了逻辑或的功能。
10.根据权利要求6所述的自供电多栅极人工突触晶体管的触觉学习，其特征在于：所述通过训练来实现触觉学习的方法为；当按压多个不同的摩擦纳米发电机输出不同大小的电压脉冲作用在不同的栅极时，随之有机半导体层界面处的电荷会发生不同的变化，其变化的程度与摩擦纳米发电机产生的电压大小正相关；此时，通过调控多个不同的摩擦纳米发电机输出脉冲的前后时间，即相当于不同的触觉按压，模拟了触觉学习的功能。
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