CN111180582B - 一种基于驻极体的突触晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于驻极体的突触晶体管及其制备方法，所述的晶体管自下而上由带有绝缘层的基底、驻极体介电层、有机半导体层以及顶部电极组成；所述的驻极体介电层在绝缘层与半导体之间形成一个界面捕获层，用于捕获电子与空穴，形成额外的电场，对半导体层起到额外的栅极调控作用。该晶体管具有高的开关比，较大的电导调控范围，并且电导增加与调控的脉冲数呈现很好的线性关系，适用于神经形态计算，有效地提高对模式识别的精度，为未来的人工突触提供了一个应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料与器件领域，特别是一种基于驻极体的突触晶体管及其制备方法。
背景技术
传统的计算由于存储和处理过程的独立性而受到冯·诺依曼瓶颈的限制。神经形态计算可以通过模拟人脑神经系统来同时执行多项任务，例如学习，存储和传输信息，它具有高效率，低效率的特点。受人脑神经系统启发的神经形态计算将克服独立信息处理和存储的问题。人工突触设备作为神经形态计算系统的基本单元，可以以低功耗进行信号处理。目前存在的突触器件多种多样，例如电阻式随机存取存储器（RRAM），相变存储器（PCM），忆阻器以及有机晶体管。但是，有机晶体管的突触器件目前尚未有基于驻极体的突触晶体管。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于驻极体的突触晶体管及其制备方法，能够对半导体层起到额外的栅极调控作用。
本发明采用以下方案实现：一种基于驻极体的突触晶体管，所述晶体管自下而上由带有绝缘层的基底、驻极体介电层、有机半导体层以及顶部电极组成；所述驻极体介电层在绝缘层与有机半导体层之间形成一个界面捕获层，用以捕获电子与空穴形成额外的电场，对有机半导体层进行额外的栅极调控。
进一步地，所述驻极体介电层采用的是有机驻极体材料，厚度为10~20 nm。
进一步地，所述的有机半导体层的材料采用的是有机大分子共聚物材料，其厚度为100~200 nm。
进一步地，所述顶部电极的源电极为金或银金属；所述顶部电极的漏电极也为金或银金属；所述顶部电极的厚度为50~100 nm。
本发明还提供一种基于驻极体的突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将衬底清洗干净即将带有绝缘层的基底清洗干净；
步骤S2：将有机驻极体材料按一定比例溶解于有机溶剂中，充分加热并搅拌，待充分溶解后，在衬底上旋涂一层均匀的薄膜，在空气条件下进行退火处理，得到驻极体介电层；
步骤S3：将有机大分子共聚物材料按一定比例溶解于有机溶剂中，充分加热并搅拌，采用旋涂或刮涂的方式在驻极体层上继续进行，然后在空气条件下进行退火处理，得到有机半导体层；
步骤S4：采用真空蒸发沉积的方式在有机半导体层上通过掩膜板蒸镀一层顶部电极。
进一步地，步骤S1中所述衬底使用带有绝缘层的基底，随后使用丙酮、异丙醇溶液清洗，最后用氮气吹干。
进一步地，步骤S2中所述有机溶剂为甲苯或者二丁酮，所述有机驻极体材料按一定比例溶解，浓度范围为2~8 mg·mL-1。
进一步地，步骤S3中所述有机半导体层有机溶剂为氯苯或者氯仿，所述的有机半导体按一定比例溶解，浓度范围为2.5~10 mg·mL-1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明对半导体层起到额外的栅极调控作用。该晶体管具有高的开关比，在给与栅压脉冲的过程中，在栅压脉冲之后都会有源漏电导的提升，且拥有较大的电导调控范围（可以从0.3 nS 调节到33 nS，超过100倍的电导调控范围），并且电导增加与调控的脉冲数呈现很好的线性关系（在电导增长的过程中非线性度为0.08），适用于神经形态计算，有效地提高对模式识别的精度（达到85%以上的对MNIST手写数据库的识别精度）。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的一种基于驻极体突触晶体管的结构示意图，图中：100为硅栅极，110为氧化硅绝缘层，120为驻极体介电层，130为有机半导体层，140为顶部源漏极；
图2为本发明本实施例1制备的一种驻极体型突触晶体管的电学转移特性曲线；
图3为本发明实施例在50个相同的增强与抑制的脉冲下的电导的变化图；
图4为本发明实施例对国家标准技术研究所混合手写数据库（MNIST）进行模式识别得到的识别精度的变化图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供一种基于驻极体的突触晶体管，所述晶体管自下而上由带有绝缘层的基底、驻极体介电层、有机半导体层以及顶部电极组成；所述驻极体介电层在绝缘层与有机半导体层之间形成一个界面捕获层，用以捕获电子与空穴形成额外的电场，对有机半导体层进行额外的栅极调控。
所述基底为带有氧化的绝缘层的基底。
在本实施例中，所述驻极体介电层采用的是有机驻极体材料，厚度为10~20 nm。
在本实施例中，所述的有机半导体层的材料采用的是有机大分子共聚物材料，其厚度为100~200 nm。
在本实施例中，所述顶部电极的源电极为金或银金属；所述顶部电极的漏电极也为金或银金属；所述顶部电极的厚度为50~100 nm。
较佳的，本实施例还提供一种基于驻极体的突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将衬底清洗干净即将带有绝缘层的基底清洗干净；
步骤S2：将有机驻极体材料按一定比例溶解于有机溶剂中，充分加热并搅拌，待充分溶解后，在衬底上旋涂一层均匀的薄膜，在空气条件下进行退火处理，得到驻极体介电层；
步骤S3：有机大分子共聚物材料按一定比例溶解于有机溶剂中，充分加热并搅拌，采用旋涂或刮涂的方式在驻极体层上继续进行，然后在空气条件下进行退火处理，得到有机半导体层；
步骤S4：采用真空蒸发沉积的方式在有机半导体层上通过掩膜板蒸镀一层顶部电极。
在本实施例中，步骤S1中所述衬底使用带有绝缘层的基底，随后使用丙酮、异丙醇溶液清洗，后用氮气吹干。所述带有绝缘层的基底的材质为带有n掺杂SiO2的Si衬底；
在本实施例中，步骤S2中所述有机溶剂为甲苯或者二丁酮，所述有机驻极体材料按一定比例溶解，浓度范围为2~8 mg·mL-1。
在本实施例中，步骤S3中所述有机半导体层有机溶剂为氯苯或者氯仿，所述的有机半导体按一定比例溶解，浓度范围为2.5~10 mg·mL-1。
较佳的，本实施例的具体实例如下：
实施例一：
步骤一：将割好的带有100 nm的SiO2的硅片先后在丙酮和异丙醇中浸泡2 min后用去离子水洗净，然后用氮气吹干，得到干净的硅片，衬底图1（100）与（110）部分。
步骤二：配置聚合物驻极体聚(2-乙烯基萘)（PVN）以3mg·mL-1的浓度溶解在纯度为99.99%的甲苯溶剂中，置于加热台上，以60 ℃加热2 h，待其完全溶解。
步骤三：配置聚合物半导体材料PDVT-10以5 mg·mL-1的浓度溶解在氯苯溶剂中，然后加热，以60 ℃加热及500 rpm的转速搅拌12 h。
步骤四：用胶头滴管取0.1 mL左右的PVN溶液，缓慢地滴在洗净的Si衬底上，将衬底完全覆盖后开始旋涂，旋涂速度为3000 rpm，旋转加速度为500 rpm/s，旋涂时间为60 s。静置5 min，而后进行热退火处理，在100 ℃温度下退火15 min，得到图1（120）所示的PVN驻极体层，厚度为15 nm左右。
步骤五：用胶头滴管取0.1 mL左右的PDVT-10溶液，缓慢地滴在驻极体层上，将其完全覆盖后开始旋涂，旋涂速度为1000 rpm，旋转加速度为500 rpm/s，旋涂时间为60 s。静置5min，在100 ℃温度下热退火10 min，得到图1（130）所示的PDVT-10聚合物半导体层，厚度为140 nm左右。
步骤六：采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在上述半导体层上蒸镀出长为1.5mm，宽为0.5 mm，厚度为50 nm的金作为源漏电极，如图1（140）所示。
实施例二：
步骤一：将割好的带有100 nm的SiO2的硅片先后在丙酮和异丙醇中浸泡2 min后用去离子水洗净，反复进行三次，超声清洗三次，然后用氮气吹干，得到干净的硅片。
步骤二：配置聚合物驻极体PVN以5mg·mL-1的浓度溶解在纯度为99.99%的甲苯溶剂中，置于加热台上，以60 ℃加热2 h，待其完全溶解。
步骤三：配置聚合物半导体材料ID-TBT以10 mg·mL-1的浓度溶解在三氯甲烷溶剂中，然后加热，以60℃加热及500 rpm的转速搅拌12 h。
步骤四：用1ml注射器取充分溶解的PVN溶液，缓慢地滴在洗净的Si衬底上，将衬底完全覆盖后开始旋涂，旋涂速度为3000 rpm，旋转加速度为500 rpm/s，旋涂时间为60 s。静置5 min，而后进行热退火处理，在100 ℃温度下退火15 min，得到PVN驻极体层。
步骤五：用胶头滴管取0.1 mL左右的ID-TBT溶液，缓慢地滴在驻极体层上，将其完全覆盖后开始旋涂，旋涂速度为1000 rpm，旋转加速度为500 rpm/s，旋涂时间为60 s。静置5 min，在100 ℃温度下热退火10 min，得到ID-TBT聚合物半导体层。
步骤六：采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在上述半导体层上蒸镀出长为1.5mm，宽为0.5 mm，厚度为50 nm的金作为源漏电极。最后得到驻极体的突触晶体管。
实施例一的结构图如图1所示，制备的驻极体突触晶体管转移曲线如图2所示，分别测了在漏极电压VDS =-5, -10, -15, -20 V下VGS 从30 V到-30 V扫描电压，开关比105以上。器件在50个正向栅极脉冲及50个反向脉冲下的沟道电导变化如图3所示，该器件电导上升具有较高的线性度以及两个量级以上的电导变化。最后对于MNIST的手写数据库的模式识别，其精度随脉冲数变化如图4所示。其在120个学习周期后，可以达到85%以上的识别精度，接近理想下的识别精度92%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种基于驻极体的突触晶体管，其特征在于：所述晶体管自下而上由带有绝缘层的基底、驻极体介电层、有机半导体层以及顶部电极组成；所述驻极体介电层在绝缘层与有机半导体层之间形成一个界面捕获层，用以捕获电子与空穴形成额外的电场，对有机半导体层进行额外的栅极调控；
其制备方法包括以下步骤：
步骤一：将割好的带有100 nm的SiO2的硅片先后在丙酮和异丙醇中浸泡2 min后用去离子水洗净，然后用氮气吹干，得到干净的硅片；
步骤二：配置聚合物驻极体聚(2-乙烯基萘)（PVN）以3mg·mL-1的浓度溶解在纯度为99.99%的甲苯溶剂中，置于加热台上，以60 ℃加热2 h，待其完全溶解；
步骤三：配置聚合物半导体材料PDVT-10以5 mg·mL-1的浓度溶解在氯苯溶剂中，然后加热，以60 ℃加热及500 rpm的转速搅拌12 h；
步骤四：用胶头滴管取0.1 mL左右的聚(2-乙烯基萘)（PVN）溶液，缓慢地滴在洗净的Si衬底上，将衬底完全覆盖后开始旋涂，旋涂速度为3000 rpm，旋转加速度为500 rpm/s，旋涂时间为60 s；静置5 min，而后进行热退火处理，在100 ℃温度下退火15 min，得到聚(2-乙烯基萘)（PVN）驻极体层，厚度为15 nm左右；
步骤五：用胶头滴管取0.1 mL左右的PDVT-10溶液，缓慢地滴在驻极体层上，将其完全覆盖后开始旋涂，旋涂速度为1000 rpm，旋转加速度为500 rpm/s，旋涂时间为60 s；静置5min，在100 ℃温度下热退火10 min，得到PDVT-10聚合物半导体层，厚度为140 nm左右；
步骤六：采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在上述半导体层上蒸镀出长为1.5 mm，宽为0.5 mm，厚度为50 nm的金作为源漏电极。
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