CN111192938A - 一种光电突触器件的制备及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电突触器件的制备及调制方法，所述制备方法包括以下步骤：制备包含栅极层、介电层、源电极和漏电极的场效应晶体管结构；在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜；将石墨烯薄膜加工成导电沟道；在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，得到场效应晶体管结构的光电突触器件。本发明通过在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，得到场效应晶体管结构的光电突触器件，本发明通过在石墨烯表面制备石墨炔薄膜，扩宽光波响应范围，并采用场效应晶体管结构实现光信号和电信号的调控，以满足复杂应用场景下的要求。本发明可广泛应用于人工神经网络技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及人工神经网络技术领域，尤其是一种光电突触器件的制备及调制方法。
背景技术
神经形态计算是近十年来发展最为迅速的技术之一，它通过模拟人类神经系统的边缘计算实现大量数据的高效并行处理，克服了传统冯诺依曼计算机由于将存储器和处理器分离所造成的计算延时和高能耗等缺点，对于推动人工智能、机器学习、自动驾驶等领域的发展具有重大意义。对于人工神经网络而言，大量的数据需要借助各种传感器从外部环境获得，其中最为重要的便是视觉传感器，有超过80％的信息是通过视觉获得的。因此，模拟人类视网膜的神经形态视觉系统的开发对于推动人工神经网络的实际应用具有重大意义。在最近两年，科学家开始将注意力从单纯研究器件的突触性能转向开发能直接对光信号进行响应的光电突触器件，实现对光信号探测和处理功能的整合，进一步简化电路，提升图像识别效率。然而，目前的光电突触器件只是简单地将光电响应功能集成到突触器件中，并且所响应的光波段范围极为有限，难以满足复杂应用场景下的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种光电突触器件的制备及调制方法。
本发明实施例的第一方面提供了：
一种光电突触器件的制备方法，其包括以下步骤：
制备包含栅极层、介电层、源电极和漏电极的场效应晶体管结构；
在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜；
将石墨烯薄膜加工成导电沟道；
在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，得到场效应晶体管结构的光电突触器件。
进一步地，所述在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜，其具体为：
将采用化学气相沉积方法或者机械剥离石墨方法制备得到的石墨烯薄膜转移至源电极和漏电极上方。
进一步地，所述石墨烯薄膜为单层或者多层薄膜。
进一步地，所述将石墨烯薄膜加工成导电沟道，其具体为：
采用标准光刻工艺和氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜加工成导电沟道。
进一步地，所述在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，其具体为：
通过溶液相范德华外延法在石墨烯表面合成石墨炔薄膜；
或者
通过转移方法将通过溶液偶联反应合成的石墨炔薄膜转移至石墨烯表面。
进一步地，所述栅极材料为导电性材料，所述介电层的材料为绝缘材料。
进一步地，所述场效应晶体管结构包括顶栅晶体管结构和背栅晶体管结构；
当场效应晶体管结构为顶栅晶体管结构时，所述基底为玻璃、石英或者蓝宝石；
当场效应晶体管结构为背栅晶体管结构时，所述基底为硅片。
进一步地，所述源电极和漏电极为Cr/Au电极。
本发明实施例的第二方面提供了：
一种光电突触器件的调制方法，其包括以下步骤：
在光电突触器件的源电极和漏电极之间施加第一偏压，在光电突触器件的栅极和源电极之间施加第一栅压，接着对光电突触器件施加光脉冲刺激；
当光电突触器件实现长时程塑性后，在光电突触器件的栅极和源电极之间施加第二栅压，在光电突触器件的源电极和漏电极之间施加第二偏压。
所述光电突触器件为通过上述的一种光电突触器件的制备方法制备得到。
进一步地，所述光脉冲刺激的光源为波长为300nm-1000nm的LED光源或者激光光源，所述偏压大小为0.01V-1V。
本发明的有益效果是：本发明通过在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜加工成导电沟道，接着在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，得到场效应晶体管结构的光电突触器件，本发明通过在石墨烯表面制备石墨炔薄膜，扩宽光波响应范围，并采用场效应晶体管结构实现光信号和电信号的调控，以满足复杂应用场景下的要求。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例的光电突触器件的制备方法的流程图；
图2为本发明一种具体实施例的背栅结构的光电突触器件的结构示意图；
图3为本发明一种具体实施例的顶栅结构的光电突触器件的结构示意图；
图4为本发明一种具体实施例的光电突触器件在不同光照剂量下产生的易失性和非易失性存储行为示意图；
图5为本发明一种具体实施例的光电突触器件的突触塑性受光强调控的效果示意图；
图6为本发明一种具体实施例的光电突触器件的突触塑性受脉冲宽度调控的效果示意图；
图7为本发明一种具体实施例的光电突触器件实现双脉冲易化功能的示意图；
图8为本发明一种具体实施例的光电突触器件的双脉冲易化系数随脉冲间隔的变化示意图；
图9为本发明一种具体实施例的光电突触器件的突触权重受脉冲数目调控的效果示意图；
图10为本发明一种具体实施例的光电突触器件在不同波长脉冲刺激下产生光电流的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明实施例提供了一种光电突触器件的制备方法，其包括以下步骤：
S310、制备包含栅极层、介电层、源电极和漏电极的场效应晶体管结构；
S320、在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜；
S330、将石墨烯薄膜加工成导电沟道；
S340、在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜作为吸光层和电荷捕获层，得到场效应晶体管结构的光电突触器件。
本实施例通过在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜加工成导电沟道，接着在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，得到场效应晶体管结构的光电突触器件，本发明通过在石墨烯表面制备石墨炔薄膜，扩宽光波响应范围，并采用场效应晶体管结构实现光信号和电信号的调控，以满足复杂应用场景下的要求。
作为优选的实施方式，所述在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜，其具体为：
将采用化学气相沉积方法或者机械剥离石墨方法制备得到的石墨烯薄膜转移至源电极和漏电极上方。
作为优选的实施方式，所述石墨烯薄膜为单层或者多层薄膜。在具体的应用过程中，选择单层还是多层薄膜，根据实际情况选择。
作为优选的实施方式，所述将石墨烯薄膜加工成导电沟道，其具体为：
采用标准光刻工艺和氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜加工成导电沟道。
作为优选的实施方式，所述在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，其具体为：
通过溶液相范德华外延法在石墨烯表面合成石墨炔薄膜；
或者通过转移方法将通过溶液偶联反应合成的石墨炔薄膜转移至石墨烯表面。
其中，所述石墨炔薄膜的厚度可根据实际需要调节。
作为优选的实施方式，所述场效应晶体管结构包括顶栅晶体管结构和背栅晶体管结构；
当场效应晶体管结构为顶栅晶体管结构时，所述基底为玻璃、石英或者蓝宝石等透明材料，所述栅极为ITO、FTO或者金属等导电性材料，所述介电层为SiO2、SiN、Al2O3、HfO2或者hBN等绝缘材料。
当场效应晶体管结构为背栅晶体管结构时，所述基底为硅片，所述栅极为掺杂硅、ITO、FTO或者金属等导电性良好的材料，所述介电层为SiO2、SiN、Al2O3、HfO2或者hBN等绝缘材料。
作为优选的实施方式，所述源电极和漏电极为Cr/Au电极。当然所述源电极和漏电极也可以为其他导电性良好的金属和非金属电极。
此外，本发明实施例还提供了一种光电突触器件的调制方法，其包括以下步骤：
在光电突触器件的源电极和漏电极之间施加第一偏压，在光电突触器件的栅极和源电极之间施加第一栅压，接着对光电突触器件施加光脉冲刺激；
当光电突触器件实现长时程塑性后，在光电突触器件的栅极和源电极之间施加第二栅压，在光电突触器件的源电极和漏电极之间施加第二偏压。
所述光电突触器件为通过上述的一种光电突触器件的制备方法制备得到。
作为优选的实施方式，所述光脉冲刺激的光源为波长为300nm-1000nm的LED光源或者激光光源，所述偏压大小为0.01V-1V。
在一些实施例中，如图2所示，所述光电突触器件的场效应晶体管结构为背栅结构时，所述栅极101为硅片，所述介电层102为SiO2，所述源漏电极105均为Cr/Au电极，所述石墨烯103为导电沟道，所述石墨炔104作为吸光层和电荷捕获层位于石墨烯上方。具体制作过程包括以下步骤：
A1、利用标准光刻工艺和热蒸镀方法在干净的空硅片上蒸镀源漏电极，所述源漏电极材料为10nm的Cr和50nm的Au，所述电极沟道设计为10μm～50μm；所述源漏电极位于硅片上表层的SiO2上。
A2、采用电化学鼓泡的方法将石墨烯薄膜转移至电极上方，需保证石墨烯薄膜表面洁净无损。
A3、采用标准光刻工艺和氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜加工成尺寸为80*100μm2的沟道。
A4、利用溶液相范德华外延法在石墨烯表面原位生长石墨炔薄膜，构筑出石墨炔/石墨烯异质结器件。
在另一些实施例中，如图3所示，所述光电突触器件的场效应晶体管结构为顶栅结构时，增设基底200，所述基底200为石英玻璃，所述介电层202为Al2O3，所述栅极201和源漏电极205均为Cr/Au电极，所述石墨烯203为导电沟道，所述石墨炔204作为吸光层和电荷捕获层位于石墨烯203上方。其具体制备过程包括以下步骤：
步骤B1、利用标准光刻工艺和热蒸镀方法在干净的空石英玻璃片上蒸镀源漏电极，其中，所述源漏电极材料为10nm的Cr和50nm的Au，所述源漏电极沟道设计为10μm～50μm；
步骤B2、采用电化学鼓泡的方法将导电层石墨烯薄膜转移至源漏电极上方，需保证石墨烯薄膜表面洁净无损；
步骤B3、采用标准光刻工艺和氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜加工成尺寸为80*100μm2的导电沟道；
步骤B4、利用溶液相范德华外延法在石墨烯表面原位生长石墨炔薄膜，构筑石墨炔/石墨烯垂直异质结；
步骤B5、利用原子层沉积技术在石墨炔/石墨烯异质结表面沉积一层50nm厚的Al2O3薄膜作为介电层；
步骤B6、利用标准光刻工艺和热蒸镀方法在导电沟道正上方沉积一层10nm的Cr和50nm的Au电极作为顶栅电极。
针对图2和图3所示的光电突触器件，在外部光学信号刺激下可实现导电性能的连续调控；通过对光脉冲的功率、脉冲时间、脉冲个数和脉冲频率等参数的调节，使该光电突触器件模拟短时程塑性、长时程塑性、双脉冲易化等突触塑性行为，其具体采用如下调制方法：
将石墨炔/石墨烯异质结光电突触器件的源电极接地，漏电极输入恒定的直流电压0.1V，使突触器件处于初始状态R0；
对石墨炔/石墨烯异质结光电突触器件施加一定程度的光刺激，则所述突触器件的光电流下降，突触器件处于激发态R1；
如图4所示，石墨炔/石墨烯光电突触器件的光电响应受到光照剂量的调控，在大光照剂量下发生非易失性存储，模拟长时程突触可塑性功能；在较低光照剂量下发生易失性存储，模拟短时程突触可塑性功能；
如图5所示，对石墨炔/石墨烯光电突触器件施加的光强越大，光电流越大，弛豫时间越长，光电突触器件通过增大光强逐渐从短时程突触可塑性转变为长时程突触可塑性；
如图6所示，对石墨炔/石墨烯光电突触器件施加的光脉冲宽度越大，光电流越大，弛豫时间越长，器件通过延长光照时间逐渐从短时程突触可塑性转变为长时程突触可塑性；
如图7所示，对石墨炔/石墨烯光电突触器件施加两个连续光脉冲，引起光电流幅值产生易化，即A2/A1>1，器件实现双脉冲易化功能；
如图8所示，石墨炔/石墨烯光电突触器件的双脉冲易化系数，即A2/A1随两脉冲间隔时间增大而降低，实现对双脉冲易化的调控；
如图9所示，石墨炔/石墨烯光电突触器件的突触权重随施加的脉冲个数增大而发生连续变化，并最终趋于饱和，器件通过施加重复脉冲训练逐渐从短时程突触可塑性转变为长时程突触可塑性；
如图10所示，石墨炔/石墨烯光电突触器件的光电响应随所施加光脉冲的波长变化，在紫外-可见-近红外波段随波长增大光电流逐渐降低；光电突触器件的光电响应与波长之间的线性关系赋予其光谱分辨能力。
综上所述，本发明实施例采用石墨炔作为主要的吸光材料，在紫外-可见-近红外波段具有显著的吸收，使得光电突触器件能够正常工作，同时，石墨炔在紫外-可见-近红外波段的吸收随波长近乎线性变化，使得器件的光电响应与波长存在一一对应的关系，能够实现对光波长的检测，用于彩色图像探测；此外，光电突触器件的突触特性在栅压作用下灵活可调，能够模拟不同塑性行为。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
制备包含栅极层、介电层、源电极和漏电极的场效应晶体管结构；
在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜；
将石墨烯薄膜加工成导电沟道；
在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，得到场效应晶体管结构的光电突触器件。
2.根据权利要求1所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述在源电极和漏电极上方转移石墨烯薄膜，其具体为：
将采用化学气相沉积方法或者机械剥离石墨方法制备得到的石墨烯薄膜转移至源电极和漏电极上方。
3.根据权利要求2任一项所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜为单层或者多层薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述将石墨烯薄膜加工成导电沟道，其具体为：
采用标准光刻工艺和氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜加工成导电沟道。
5.根据权利要求1所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述在加工成导电沟道后的石墨烯薄膜表面制备石墨炔薄膜，其具体为：
通过溶液相范德华外延法在石墨烯表面合成石墨炔薄膜；
或者
通过转移方法将通过溶液偶联反应合成的石墨炔薄膜转移至石墨烯表面。
6.根据权利要求1所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述栅极材料为导电性材料，所述介电层的材料为绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述场效应晶体管结构包括顶栅晶体管结构和背栅晶体管结构；
当场效应晶体管结构为顶栅晶体管结构时，所述基底为玻璃、石英或者蓝宝石；
当场效应晶体管结构为背栅晶体管结构时，所述基底为硅片。
8.根据权利要求1所述的一种光电突触器件的制备方法，其特征在于：所述源电极和漏电极为Cr/Au电极。
9.一种光电突触器件的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：
在光电突触器件的源电极和漏电极之间施加第一偏压，在光电突触器件的栅极和源电极之间施加第一栅压，接着对光电突触器件施加光脉冲刺激；
当光电突触器件实现长时程塑性后，在光电突触器件的栅极和源电极之间施加第二栅压，在光电突触器件的源电极和漏电极之间施加第二偏压。
所述光电突触器件为通过权利要求1-8任一项所述的一种光电突触器件的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的一种光电突触器件的调制方法，其特征在于：所述光脉冲刺激的光源为波长为300nm-1000nm的LED光源或者激光光源，所述偏压大小为0.01V-1V。
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