CN111276603A - 氧化物基电子突触器件及其阵列 - Google Patents
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Abstract
一种氧化物基电子突触器件及其阵列，该器件包括源电极、漏电极和栅电极；沟道层，形成于所述源电极和漏电极之间，为固态氧化物材料；以及电解质层，作为栅介质而形成于所述沟道层和栅电极之间，为离子导通而电子绝缘的固态电解质材料。本发明的器件能够很好的模拟生物突触功能，同时具有多态可调，高度线性、对称等优点，由其大规模集成的阵列能够为构建人工神经网络提供了器件基础。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种氧化物基电子突触器件及其阵列。
背景技术
人类的大脑可以认为是一种高效的信息存储与计算系统，具有非常低的功耗(～20W)，生物突触被认为是人脑中进行高能效信息处理的核心结构单元。面对人类社会急剧增长的数据量和日益复杂的数据类型，开发新兴电子器件模拟生物突触功能、构建大规模人工神经网络以解决当下的高能效信息处理需求，是未来信息技术领域的一个重要发展方向。然而，目前的电子突触器件基于现有的材料体系面临许多非理想因素：权重调节的非线性、非对称性、器件波动性大、能耗较高等，如图1A中所示；同时受限于材料等因素，例如以MoO3作为沟道层或者以离子液体作为栅介质层时，如图1B所示，难以实现大规模集成。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种氧化物基电子突触器件及其阵列，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为达到上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种氧化物基电子突触器件，包括：源电极、漏电极和栅电极；沟道层，形成于所述源电极和漏电极之间，为固态氧化物材料；以及电解质层，作为栅介质而形成于所述沟道层和栅电极之间，为离子导通而电子绝缘的固态电解质材料。
作为本发明的另一个方面，提供了一种氧化物基电子突触器件阵列，其使用如上所述的氧化物基电子突触器件与选通器件连接后以交叉阵列的形式集成。
从上述技术方案可以看出，本发明的氧化物基电子突触器件及其阵列至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明的氧化物基电子突触器件以固态氧化物作为沟道层材料，以固态电解质材料为栅介质层材料，通过控制施加在栅电极上的输入信号(电压/电流)的极性(正向/负向)，可以精确控制电解质中的离子移动与沟道材料中离子的注入/抽出过程，从而获得沟道电导值随施加信号线性、对称、波动小、低能耗的模拟变化行为；
(2)本发明的氧化物基电子突触器件中，沟道层材料选自VO2、NbO2、TiO2、NiO、Ta2O5、Ga2O3等固态氧化物，电解质层的材料选自LiClO4/PEO、LixSiOy、LixTiOy、LiPON、SiO2等固态电解质，由此构成的材料体系在直流扫描过程呈现出迟滞行为，表明器件具有非易失存储能力，可用于生物突触的模拟在改善电学性能的同时，还有利于大规模集成。
附图说明
图1A为现有技术中电子突触器件的电学特性图；
图1B为现有技术中电子突触器件的结构示意图；
图2为本发明氧化物基电子突触器件在输入信号下实现LTP/LTD过程的响应趋势图；
图3为本发明实施例1氧化物基电子突触器件结构示意图；
图4为本发明实施例1氧化物基电子突触器件的制备流程图；
图5为本发明实施例1氧化物基电子突触器件的I-V电学特性图；
图6为本发明实施例1氧化物基电子突触器件在脉冲作用下的响应特性图；
图7为本发明实施例2氧化物基电子突触器件结构示意图；
图8为本发明实施例2氧化物基电子突触器件的制备流程图；
图9为本发明实施例3氧化物基电子突触器件结构示意图；
图10为本发明实施例3氧化物基电子突触器件的制备流程图；
图11为本发明实施例4氧化物基电子突触器件结构示意图；
图12为本发明实施例4氧化物基电子突触器件的制备流程图；
图13为本发明实施例5氧化物基电子突触器件阵列及其操作示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于氧化物材料的电子突触器件及其阵列，该器件能够很好的模拟生物突触功能，同时具有多态可调，高度线性、对称以及适合大规模集成等优点，为大规模构建人工神经网络提供了器件基础。
具体而言，本发明提供了一种氧化物基电子突触器件，包括：源电极、漏电极和栅电极；沟道层，形成于源电极和漏电极之间，为固态氧化物材料；电解质层，作为栅介质而形成于沟道层和栅电极之间，为离子导通而电子绝缘的固态电解质材料。
由此通过控制施加在栅电极上的输入信号(电压/电流)的极性(正向/负向)，可以精确控制电解质中的离子移动与沟道材料中离子的注入/抽出过程。从而获得如图2所示的沟道电导值随施加信号线性、对称、波动小、低能耗的模拟变化行为，即LTP(沟道电导随输入信号逐渐增加)和LTD(沟道电导随输入信号逐渐降低)过程。
其中，沟道层的材料选自VO2、NbO2、TiO2、NiO、Ta2O5、Ga2O3中的一种，厚度为50～300nm；电解质层的材料选自LiClO4/PEO、LixSiOy、LixTiOy、LiPON、SiO2中的一种，厚度为100nm～1μm，其中x、y分别为化学计量比，具体取值因选用的不同材料以及制备条件而不同，在此不作特别限定；源电极、漏电极和栅电极分别选自TiN、Poly-Si、Pd、Pt、W、Au中的一种，厚度分别为10nm～200nm。基于前述沟道层、电介质层材料的选用和配合，改善了突触器件的电学性能，并且有利于大规模集成。
其中，氧化物基电子突触器件为平面型器件，源电极相对于漏电极沿平行于衬底方向设置以在源电极、漏电极之间形成横向的沟道层。
具体地，该氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备，得到顶栅结构的器件：在衬底上形成绝缘氧化层，在绝缘氧化层上分别形成源电极、漏电极，在暴露的绝缘氧化层上以及源电极、漏电极上形成沟道层，在沟道层上形成电解质层，在电解质层上形成栅电极。
或者，该氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备，得到底栅结构的器件：在衬底上形成绝缘氧化层；在绝缘氧化层上形成栅电极；在栅电极上形成电解质层；在电解质层上形成沟道层；在沟道层上形成源电极、漏电极。
其中，氧化物基电子突触器件为垂直型器件，源电极相对于漏电极沿垂直于衬底方向设置以在源电极、漏电极之间形成竖向的沟道层。
具体地，该氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备，制得顶栅结构的器件：在衬底上形成绝缘氧化层，在绝缘氧化层上形成漏电极，在漏电极上形成绝缘隔离层，在绝缘隔离层上形成源电极，自源电极开始刻蚀直至到达绝缘氧化层而形成孔洞，在刻蚀的孔洞上形成沟道层，在沟道层上形成电解质层，在电解质层上形成栅电极；其中绝缘隔离层的厚度为100nm～300nm，可采用SiN或SiO2等绝缘材料；
或者，该氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备，制得顶栅结构的器件：在衬底上形成绝缘氧化层，在绝缘氧化层上形成漏电极，在漏电极上形成沟道层，在沟道层上形成源电极，自源电极开始刻蚀直至到达绝缘氧化层而形成孔洞，在刻蚀的孔洞上形成电解质层，在电解质层上形成栅电极。
其中，氧化物基电子突触器件还包括衬底和绝缘氧化层，其中绝缘氧化层用于将衬底与源电极、漏电极及栅电极相隔离。
本发明还提供了一种氧化物基电子突触器件阵列，使用上述的氧化物基电子突触器件与选通器件连接后以交叉阵列的形式集成；其中，通过并行的对一行器件的栅极和源极输入信号完成氧化物基电子突触器件阵列的编程操作；通过并行的对一列器件的漏极和源极输入信号完成氧化物基电子突触器件阵列的读取操作。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
实施例1-氧化物基电子突触器件-平面型顶栅结构
本实施例中，如图3所示的平面型顶栅结构的氧化物基电子突触器件，其通过以下步骤制备而成，具体工艺流程如图4所示：
步骤1：在硅片上氧化形成SiO2层，SiO2的厚度为100nm，在其他实施例中可根据实际工艺条件降低或者增加氧化层的厚度；
步骤2：在氧化硅上沉积源(Source)、漏(Drain)电极，源(Source)、漏(Drain)电极的厚度为50nm。源(Source)、漏(Drain)电极材料为Pt电极；在其他实施例中，源(Source)、漏(Drain)电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
步骤3：在源(Source)、漏(Drain)电极上沉积沟道层，沟道层的厚度为100nm，沟道层材料采用NbO2材料，在其他实施例中，沟道层材料包括但不局限于以上材料，其他固态氧化物材料也可采用；
步骤4：在沟道层上沉积电解质层，电解质层的厚度为100nm，电解质层材料采用LixSiOy材料，其中x、y的值根据材料不同的化学计量比而不同，在其他实施例中，电解质层材料包括但不限于以上材料，其他固态电解质材料也可采用；
步骤5：在电解质层上沉积栅(Gate)电极，栅(Gate)电极的厚度为100nm，栅(Gate)电极材料采用Pt电极，在其他实施例中，栅电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
对本实施例的氧化物基电子突触器件进行性能测试：(1)直流测试，利用常见测试设备在器件的栅极施加直流扫描信号，同时监测器件源、漏电极间的电流变化，能够获得器件在直流操作过程中的电学性能，图5为本发明实施例1氧化物基电子突触器件的I-V电学特性图，从图中可以看出，器件在直流扫描过程呈现出迟滞行为，表明器件具有非易失存储能力，可用于生物突触的模拟；(2)脉冲测试，利用常见测试设备在器件的栅极施加脉冲信号，同时监测器件源、漏电极间的电流变化，能够获得器件在脉冲操作过程中的电学性能，图6为本发明实施例1氧化物基电子突触器件在脉冲作用下的响应特性图，从图中可以看出，器件在脉冲作用下能够模拟生物突触的基本特性，并表现出如图所示的线性、对称、波动小、低能耗的模拟变化行为。
实施例2-氧化物基电子突触器件-平面型底栅结构
本实施例中，如图7所示的平面型底栅结构的氧化物基电子突触器件，其通过以下步骤制备而成，具体工艺流程如图8所示：
步骤1：在硅片上氧化形成SiO2层，SiO2的厚度为100nm，在其他实施例中可根据实际工艺条件降低或者增加氧化层的厚度；
步骤2：在氧化硅上沉积栅(Gate)电极，栅(Gate)电极的厚度为100nm，栅(Gate)电极材料采用TiN电极，在其他实施例中，栅电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
步骤3：在栅(Gate)电极上沉积电解质层，电解质层的厚度为100nm，电解质层材料采用LixTiOy材料，其中x、y的值根据材料不同的化学计量比而不同，在其他实施例中，电解质层材料包括但不局限于以上材料，其他固态电解质材料也可采用；
步骤4：在电解质层上沉积沟道层，沟道层的厚度为100nm，沟道层材料采用VO2材料，在其他实施例中，沟道层材料包括但不局限于以上材料，其他固态氧化物材料也可采用；
步骤5：在沟道层上沉积源(Source)、漏(Drain)电极，源(Source)、漏(Drain)电极的厚度为50nm。源(Source)、漏(Drain)电极材料采用TiN电极，在其他实施例中，源(Source)、漏(Drain)电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
本实施例的氧化物基电子突触器件具有与实施例1相类似的电学特性和生物突触模拟特性。
实施例3-氧化物基电子突触器件-垂直型顶栅结构
本实施例中，如图9所示的垂直型顶栅结构的氧化物基电子突触器件，其通过以下步骤制备而成，具体工艺流程如图10所示：
步骤1：在硅片上氧化形成SiO2层，SiO2的厚度为100nm，在其他实施例中可根据实际工艺条件降低或者增加氧化层的厚度；
步骤2：在氧化硅上沉积漏(Drain)电极，漏(Drain)电极的厚度为50nm，漏(Drain)电极材料采用TiN电极，在其他实施例中，漏(Drain)电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
步骤3：在漏(Drain)电极上沉积SiO2绝缘物质作为绝缘隔离层，绝缘隔离层的厚度为300nm，在其他实施例中，亦可根据实际工艺条件降低或者增加绝缘隔离层的厚度；
步骤4：在绝缘隔离层上沉积源(Source)电极，源(Drain)电极的厚度和使用材料与漏(Drain)电极一致；
步骤5：采用刻蚀工艺，在沉积薄膜上刻蚀出孔洞。该刻蚀的深度直接到达漏(Drain)电极以下的SiO2层，该SiO2层需被刻蚀一定的深度以确保漏(Drain)电极的截面完全露出。但该层SiO2在刻蚀后要保留足够的厚度，以确保可以隔离Si基片；
步骤6：在刻蚀的孔洞上沉积沟道层，沟道层的厚度为100nm，沟道层材料采用Ta2O5材料，在其他实施例中，沟道层材料包括但不局限于以上材料，其他固态氧化物材料也可采用；
步骤7：在沟道层上沉积电解质层，电解质层的厚度为100nm，电解质层材料采用LiClO4/PEO材料，在其他实施例中，电解质层材料包括但不局限于以上材料，其他固态电解质材料也可采用；
步骤8：在电解质层上沉积栅(Gate)电极，栅(Gate)电极的厚度为100nm，栅(Gate)电极材料采用TiN电极，在其他实施例中，栅电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
本实施例的氧化物基电子突触器件具有与实施例1相类似的电学特性和生物突触模拟特性。
实施例4-氧化物基电子突触器件-垂直型顶栅结构
本实施例中，如图11所示的垂直型顶栅结构的氧化物基电子突触器件，其通过以下步骤制备而成，具体工艺流程如图12所示：
步骤1：在硅片上氧化形成SiO2层，SiO2的厚度为100nm，在其他实施例中可根据实际工艺条件降低或者增加氧化层的厚度；
步骤2：在氧化硅上沉积漏(Drain)电极，漏(Drain)电极的厚度为50nm，漏(Drain)电极材料采用TiN电极，在其他实施例中，漏(Drain)电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
步骤3：在漏(Drain)电极上沟道层，沟道层的厚度为100nm，沟道层材料采用Ga2O3材料，在其他实施例中，沟道层材料包括但不局限于以上材料，其他固态氧化物材料也可采用；
步骤4：在沟道层上沉积源(Source)电极，源(Drain)电极的厚度和使用材料与漏(Drain)电极一致；
步骤5：采用刻蚀工艺，在沉积薄膜上刻蚀出孔洞。该刻蚀的深度直接到达漏(Drain)电极以下的SiO2层，该SiO2层需被刻蚀一定的深度以确保漏(Drain)电极的截面完全露出。但该层SiO2在刻蚀后要保留足够的厚度，以确保可以隔离Si基片；
步骤6：在刻蚀的孔洞上沉积电解质层，电解质层的厚度为100nm，电解质层材料采用LiPON材料，在其他实施例中，电解质层材料包括但不局限于以上材料，其他固态电解质材料也可采用；
步骤7：在电解质层上沉积栅(Gate)电极，栅(Gate)电极的厚度为100nm，栅(Gate)电极材料采用TiN电极，在其他实施例中，栅电极材料包括但不局限于以上材料，其他导电材料也可采用；
本实施例的氧化物基电子突触器件具有与实施例1相类似的电学特性和生物突触模拟特性。
实施例5-氧化物基电子突触器件阵列
如图13所示，为使用实施例1的氧化物基电子突触器件连接选通器件后通过交叉阵列的形式进行集成，由于器件采用全固态材料，有利于大规模集成。其中阵列的编程操作是通过并行的对一行器件的栅极和源极输入信号完成；阵列的读取操作是通过并行的对一列器件的漏极和源极输入信号完成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化物基电子突触器件，包括：
源电极、漏电极和栅电极；
沟道层，形成于所述源电极和漏电极之间，为固态氧化物材料；以及
电解质层，作为栅介质而形成于所述沟道层和栅电极之间，为离子导通而电子绝缘的固态电解质材料。
2.根据权利要求1所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述沟道层的材料选自VO2、NbO2、TiO2、NiO、Ta2O5、Ga2O3中的一种，厚度为50～300nm；
所述电解质层的材料选自LiClO4/PEO、LixSiOy、LixTiOy、LiPON、SiO2中的一种，厚度为100nm～1μm，其中x、y分别为化学计量比；
所述源电极、漏电极和栅电极分别选自TiN、Poly-Si、Pd、Pt、W、Au中的一种，厚度分别为10nm～200nm。
3.根据权利要求1所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述氧化物基电子突触器件为平面型器件，所述源电极相对于漏电极沿平行于衬底方向设置以在所述源电极、漏电极之间形成横向的所述沟道层。
4.根据权利要求3所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备：
在衬底上形成绝缘氧化层，在所述绝缘氧化层上分别形成源电极、漏电极，在暴露的绝缘氧化层上以及所述源电极、漏电极上形成沟道层，在所述沟道层上形成电解质层，在所述电解质层上形成栅电极；或者
所述氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备：
在衬底上形成绝缘氧化层；在所述绝缘氧化层上形成栅电极；在所述栅电极上形成电解质层；在所述电解质层上形成沟道层；在所述沟道层上形成源电极、漏电极。
5.根据权利要求1所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述氧化物基电子突触器件为垂直型器件，所述源电极相对于漏电极沿垂直于衬底方向设置以在所述源电极、漏电极之间形成竖向的所述沟道层。
6.根据权利要求5所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备：
在衬底上形成绝缘氧化层，在所述绝缘氧化层上形成漏电极，在所述漏电极上形成绝缘隔离层，在所述绝缘隔离层上形成源电极，自所述源电极开始刻蚀直至到达所述绝缘氧化层而形成孔洞，在刻蚀的所述孔洞上形成沟道层，在所述沟道层上形成电解质层，在所述电解质层上形成栅电极；或者
所述氧化物基电子突触器件通过以下步骤制备：
在衬底上形成绝缘氧化层，在所述绝缘氧化层上形成漏电极，在所述漏电极上形成沟道层，在所述沟道层上形成源电极，自所述源电极开始刻蚀直至到达所述绝缘氧化层而形成孔洞，在刻蚀的所述孔洞上形成电解质层，在所述电解质层上形成栅电极。
7.根据权利要求1所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述栅电极位于源电极、漏电极之上而形成顶栅结构，或者所述栅电极位于源电极、漏电极之下而形成底栅结构。
8.根据权利要求1所述的氧化物基电子突触器件，其特征在于，所述氧化物基电子突触器件还包括衬底和绝缘氧化层，其中所述绝缘氧化层用于将衬底与源电极、漏电极及栅电极相隔离。
9.一种氧化物基电子突触器件阵列，其特征在于，使用如权利要求1至8中任一项所述的氧化物基电子突触器件与选通器件连接后以交叉阵列的形式集成。
10.根据权利要求9所述的氧化物基电子突触器件阵列，其特征在于，通过并行的对一行器件的栅极和源极输入信号完成所述氧化物基电子突触器件阵列的编程操作；通过并行的对一列器件的漏极和源极输入信号完成所述氧化物基电子突触器件阵列的读取操作。
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