CN111341911B - 一种基于二维铁电材料的人工异源突触器件及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维铁电材料的人工异源突触器件及调控方法，首次提出采用具有面内和面外极化耦合的二维铁电材料作为功能层材料制备三端人工突触器件，利用材料本征的极化耦合特性来实现第三端的电学调控。增加的调控端可以促进或抑制人工突触器件的权值调控能力，使得人工突触器件能够完成更加复杂的仿生功能；第三端利用电场进行调控，调控的功耗极低；器件结构易于集成；每个器件能够单独调控，互不干扰。
Description
技术领域
本发明属于类脑计算技术领域，具体涉及一种基于二维铁电材料的人工异源突触器件及调控方法。
背景技术
传统的冯诺依曼计算架构中存储器和运算器是分离的，大量数据在总线上被来回搬运，进而限制了运算速率，增大了能耗。为了突破冯诺依曼瓶颈，人们提出了一些新的计算范式，包括类脑计算、存内计算等。在人脑中，大量的突触和神经元并行存储和处理信息，高效而低功耗。类脑计算就是受人脑的启发而构建类脑计算机非常重要的一步，是从器件层面模拟人脑中的突触和神经元。
近年人工突触的研究取得了许多重要的进展。基于忆阻器、相变存储器、晶体管的人工突触器件被提出，并且成功模拟了生物突触的多种长时程和短时程特性。突触的长时程特性包括长时程促进(LTP)、长时程抑制(LTD)、脉冲时序依赖可塑性(STDP)等，突触的短时程可塑性包括双脉冲易化(PPF)等。但需要注意的是，大部分研究局限于同源突触可塑性的实现，这意味着人工突触是一个两端器件，突触权值的调节和探测都是在同一对端口实现。而实现异源突触可塑性的工作较少，其根本不同在于，异源突触引入第三端作为调控端，对另外两端的突触可塑性进行调控，这对于实现很多突触功能是必须的，例如联想学习、长时程记忆等。因此，实现可靠的人工异源突触有着至关重要的意义，而实现第三端电调控的人工异源突触器件需要有坚实的器件机理作为支撑。
发明内容
为了解决现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明首次提出利用面内和面外铁电极化耦合的二维铁电材料实现电调控的人工异源突触的思路，提供了一种基于二维铁电材料的人工异源突触器件及其调控方法，通过在垂直结构的忆阻器侧面引入调控端，利用二维铁电材料面内和面外极化互相耦合的特性，实现异源端对突触性能的调控，使得人工突触器件能够实现更复杂的仿生功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种人工异源突触器件，包括衬底、底电极、功能层、顶电极、绝缘调控层和调控电极，其中底电极、功能层和顶电极依次层叠在衬底上，绝缘调控层和调控电极位于功能层的侧边，绝缘调控层与功能层直接接触，而调控电极位于绝缘调控层之上；所述功能层为二维铁电材料。
上述人工异源突触器件中，所述衬底可以是硅衬底等硬质衬底，也可以是柔性材料衬底。
所述底电极、顶电极和调控电极由导电材料通过微纳加工工艺实现。底电极、顶电极和调控电极可采用多种金属材料如Ti、Cr、Sc、Pd、Au、Pt、W、Al等，金属氮化物如TiN等，柔性导电材料如ITO等，二维原子晶体材料如石墨烯等制备。各种电极的厚度为0.3nm～300nm。
所述功能层优选采用α-In2Se3或其他α相的III2-VI3族二维原子晶体材料，可以是单层二维材料，也可以是多层二维材料，厚度在0.9nm～1μm之间。
所述III2-VI3族二维原子晶体材料是单晶二维原子晶体材料，并且具有面内和面外互相耦合的铁电极化。
所述绝缘调控层的材料可采用SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、hBN等，厚度在0.4nm～300nm之间。
本发明还提供了上述人工异源突触器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上光刻定义底电极的图形，然后制备底电极；
2)制备二维铁电材料，并将二维铁电材料转移到底电极上，作为功能层；
3)在功能层上光刻定义顶电极的图形，然后制备顶电极；
4)在功能层的侧边光刻定义调控电极的图形，然后依次制备绝缘调控层和调控电极。
上述步骤1)、3)和4)中，采用紫外光刻或电子束光刻的方法定义电极的图形，然后采用电子束蒸发或磁控溅射等方法制备电极。
上述步骤2)中，可以通过化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延(MBE)、机械剥离等方法制备获得所述二维铁电材料。
本发明还提供了上述人工异源突触器件的调控方法。本发明提供的人工异源突触器件作为一种可三端输入的器件，具备二端人工突触器件的电学特性，在外界直流电信号的激励下，能够在高阻态和低阻态之间稳定的切换；在外界脉冲电信号的激励下，具有稳定的多阶阻态以实现LTP、LTD等突触可塑性功能；可引入第三端电信号作为调控信号，第三端电信号能改变二端人工突触的阻态切换特性，实现对突触可塑性进行调控。
本发明的人工异源突触器件的调控方法，具体包括如下几个方面：
(1)通过在上述人工异源突触器件的底电极输入直流写入电压，将顶电极接地，将调控电极浮空，并且施加限制电流，则器件将从高阻态切换至低阻态；
限制电流是为了保护器件不被大电流损坏。在器件从高阻态切换到低阻态时，器件中的电流迅速增大，当电流大于限制电流时，限制电流将流经器件的电流限制在设定的值，防止器件因电流过大而损坏；
通过在上述人工异源突触器件的底电极输入直流擦除电压，将顶电极接地，将调控电极浮空，则器件将从低阻态切换至高阻态；
器件处于低阻态时，对应电导很高，可采用这种状态下的人工异源突触器件来模拟生物突触连接强度强、突触权值大的情况；
器件处于高阻态时，对应电导很低，可采用这种状态下的人工异源突触器件来模拟生物突触连接强度弱、突触权值小的情况。
(2)通过在上述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲写入信号,将顶电极接地，将调控电极浮空或接地，多个相同的脉冲写入信号使得器件的阻值逐渐降低，电导逐渐升高，最终实现人工异源突触器件的LTP功能。
通过在上述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲擦除信号,将顶电极接地，将调控电极浮空或接地，多个相同的脉冲擦除信号使得器件的阻值逐渐升高，电导逐渐降低，最终实现人工异源突触器件的LTD功能。
当器件处于不同的中间阻态时，对应不同的电导状态，因此可以模拟生物突触不同的连接强度，并且连接强度可以连续调节，连续增大或减小。
(3)通过在上述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲写入信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的促进电压，多个相同的脉冲写入信号使得器件的阻值逐渐降低，相比于调控电极浮空或接地时，阻值降低的幅度显著增大，电导增加的幅度增大，最终实现利用调控电极来促进人工异源突触器件LTP的功能。
通过在上述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲擦除信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的促进电压，多个相同的脉冲擦除信号使得器件的阻值逐渐升高，相比于调控电极浮空或接地时，阻值升高的幅度显著增大，电导减小的幅度增大，最终实现利用调控电极来促进人工异源突触器件LTD的功能。
当调控电极施加恒定的促进电压时，在相同脉冲激励下器件的阻态变化幅度更大，对应电导的变化也更大，因此能模拟可塑性较强的生物突触，其连接强度可以大幅度调节。
(4)通过在上述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲写入信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的抑制电压，多个相同的脉冲写入信号使得器件的阻值逐渐降低，相比于调控电极浮空或接地时，阻值降低的幅度显著减小，电导增加的幅度减小，最终实现利用调控电极来抑制人工异源突触器件LTP的功能。
通过在上述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲擦除信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的抑制电压，多个相同的脉冲擦除信号使得器件的阻值逐渐升高，相比于调控电极浮空或接地时，阻值升高的幅度显著减小，电导减小的幅度减小，最终实现利用调控电极来抑制人工异源突触器件LTD的功能。
当调控电极施加恒定的抑制电压时，在相同脉冲激励下器件的阻态变化幅度更小，对应电导的变化也更小，因此能模拟可塑性较弱的生物突触，其连接强度仅可小幅度微调。
(5)通过在上述人工异源突触器件的底电极施加读取电压，顶电极接地，调控电极浮空，读取流经器件底电极和顶电极之间的电流，计算出电导作为突触权重，从而实现人工突触权值的读取。
本发明提出的人工异源突触器件及调控方法，具有以下优点：
本发明首次提出采用具有面内和面外极化耦合的二维铁电材料作为功能层材料，利用材料本征的极化耦合特性来实现第三端的电学调控，对实现可靠的人工异源突触器件有着至关重要的意义；将二端的人工突触器件变为三端，增加的调控端可以促进或抑制人工突触器件的权值调控能力，使得人工突触器件能够完成更加复杂的仿生功能；第三端利用电场进行调控，调控的功耗极低；器件结构易于集成；每个器件能够单独调控，互不干扰。
附图说明
图1为本发明的人工异源突触器件的一个实施例的结构示意图，其中1-衬底、2-底电极、3-功能层、4-顶电极、5-绝缘调控层、6-调控电极。
图2为本发明的人工异源突触器件的一个实施例的激励信号输入示意图。
图3为本发明的人工异源突触器件的一个实施例的电流-电压特性曲线示意图。
图4为本发明的人工异源突触器件的一个实施例的第三端调控的LTP-LTD曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的人工异源突触器件包括：衬底1、底电极2、功能层3、顶电极4、绝缘调控层5和调控电极6；其中，底电极2、功能层3和顶电极4依次层叠在衬底1上，绝缘调控层5和调控电极6位于功能层3的侧边，绝缘调控层5与功能层3直接接触，而调控电极6位于绝缘调控层5之上。
参见图1，本实施例的一种基于二维铁电材料的人工异源突触器件的制备步骤如下：
1)采用紫外光刻或电子束光刻在衬底1上定义底电极2的图形；
2)采用电子束蒸发或磁控溅射等方法制备底电极2，并用丙酮剥离；
3)利用化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延(MBE)或机械剥离等方法制备出所需的二维铁电材料；
4)将二维铁电材料转移到底电极2上，作为功能层3；
5)采用紫外光刻或电子束光刻在功能层3上定义顶电极4的图形；
6)采用电子束蒸发或磁控溅射等方法制备顶电极4，并用丙酮剥离；
7)采用紫外光刻或电子束光刻在功能层3的侧边定义调控电极6的图形；
8)采用电子束蒸发或磁控溅射等方法制备绝缘调控层5和调控电极6，并用丙酮剥离。
所述衬底1为硅衬底或柔性材料衬底。
本实施例中底电极2、顶电极4和调控电极6由导电材料组成，通过微纳加工工艺实现。底电极2、顶电极4和调控电极6可采用多种金属材料如Ti、Cr、Sc、Pd、Au、Pt、W、Al，金属氮化物如TiN，柔性导电材料如ITO，二维原子晶体材料如石墨烯，等等，厚度为0.3nm～300nm。
本实施例中功能层3采用α-In2Se3或其他α相的III2-VI3族二维原子晶体，厚度在0.9nm～1μm之间。
本实施例中二维原子晶体材料是单晶二维原子晶体材料，并且具有面内和面外互相耦合的铁电极化。
本实施例中二维原子晶体材料能通过化学气相沉积(CVD)、化学气相传输(CVT)、分子束外延(MBE)或机械剥离等方法制备获得。
本实施例中绝缘调控层5的材料采用SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、hBN等，厚度在0.4nm～300nm之间。
本实施例提供的人工异源突触器件在工作时的激励信号输入示意图如图2所示，其中电输入1接人工异源突触器件的底电极2，电输入2接人工异源突触器件的顶电极4，电输入3接人工异源突触器件的调控电极6。
以下结合本实施例具体阐述本发明提供的人工异源突触器件的调控方法。
(1)通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入直流写入电压Vset，将顶电极4接地，将调控电极6浮空，并且施加限制电流，如图3所示，则器件将从高阻态切换至低阻态；
限制电流是为了保护器件不被大电流损坏。在器件从高阻态切换到低阻态时，器件中的电流迅速增大，当电流大于限制电流时，限制电流将流经器件的电流限制在设定的值，防止器件因电流过大而损坏；
通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入直流擦除电压Vreset，将顶电极4接地，将调控电极6浮空，如图3所示，则器件将从低阻态切换至高阻态；
器件处于低阻态时，对应电导很高，可采用这种状态下的人工异源突触器件来模拟生物突触连接强度强、突触权值大的情况；
器件处于高阻态时，对应电导很低，可采用这种状态下的人工异源突触器件来模拟生物突触连接强度弱、突触权值小的情况；
(2)通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入多个相同的脉冲写入信号Vp,将顶电极4接地，将调控电极6浮空或接地，如图4所示，多个相同的脉冲写入信号Vp使得器件的阻值逐渐降低，电导逐渐升高，最终实现人工异源突触器件的LTP功能。
通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入多个相同的脉冲擦除信号Vd,将顶电极4接地，将调控电极6浮空或接地，如图4所示，多个相同的脉冲擦除信号Vd使得器件的阻值逐渐升高，电导逐渐降低，最终实现人工异源突触器件的LTD功能。
当器件处于不同的中间阻态时，对应不同的电导状态，因此可以模拟生物突触不同的连接强度，并且连接强度可以连续调节，连续增大或减小。
(3)通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入多个相同的脉冲写入信号Vp,将顶电极4接地，将调控电极6输入恒定的促进电压Vmp，如图4所示，多个相同的脉冲写入信号Vp使得器件的阻值逐渐降低，相比于调控电极6浮空或接地时，阻值降低的幅度显著增大，电导增加的幅度增大，最终实现利用调控电极6来促进人工异源突触器件LTP的功能。
通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入多个相同的脉冲擦除信号Vd,将顶电极4接地，将调控电极6输入恒定的促进电压Vmp，如图4所示，多个相同的脉冲擦除信号Vd使得器件的阻值逐渐升高，相比于调控电极6浮空或接地时，阻值升高的幅度显著增大，电导减小的幅度增大，最终实现利用调控电极6来促进人工异源突触器件LTD的功能。
当调控电极6施加恒定的促进电压Vmp时，在相同脉冲激励下器件的阻态变化幅度更大，对应电导的变化也更大，因此能模拟可塑性较强的生物突触，其连接强度可以大幅度调节。
(4)通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入多个相同的脉冲写入信号Vp,将顶电极4接地，将调控电极6输入恒定的抑制电压Vmd，如图4所示，多个相同的脉冲写入信号Vp使得器件的阻值逐渐降低，相比于调控电极6浮空或接地时，阻值降低的幅度显著减小，电导增加的幅度减小，最终实现利用调控电极6来抑制人工异源突触器件LTP的功能。
通过在上述人工异源突触器件的底电极2输入多个相同的脉冲擦除信号Vd,将顶电极4接地，将调控电极6输入恒定的抑制电压Vmd，如图4所示，多个相同的脉冲擦除信号Vd使得器件的阻值逐渐升高，相比于调控电极6浮空或接地时，阻值升高的幅度显著减小，电导减小的幅度减小，最终实现利用调控电极6来抑制人工异源突触器件LTD的功能。
当调控电极6施加恒定的抑制电压Vmd时，在相同脉冲激励下器件的阻态变化幅度更小，对应电导的变化也更小，因此能模拟可塑性较弱的生物突触，其连接强度仅可小幅度微调。
(5)通过在底电极2施加读取电压Vread，顶电极4接地，调控电极6浮空，读取流经器件底电极和顶电极之间的电流Iread，计算出电导作为突触权重，从而实现人工突触权值的读取。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种人工异源突触器件的制备方法，所述人工异源突触器件包括衬底、底电极、功能层、顶电极、绝缘调控层和调控电极，其中，底电极、功能层和顶电极依次层叠在衬底上；绝缘调控层和调控电极位于功能层的侧边，绝缘调控层与功能层直接接触，而调控电极位于绝缘调控层之上；所述功能层为二维铁电材料；其制备方法包括以下步骤：
1)在衬底上光刻定义底电极的图形，然后制备底电极；
2)制备二维铁电材料，并将二维铁电材料转移到底电极上，作为功能层；
3)在功能层上光刻定义顶电极的图形，然后制备顶电极；
4)在功能层的侧边光刻定义调控电极的图形，然后依次制备绝缘调控层和调控电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能层采用α-In2Se3或其他α相的III2-VI3族二维原子晶体材料。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述α相的III2-VI3族二维原子晶体材料是单晶二维原子晶体材料，并且具有面内和面外互相耦合的铁电极化。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能层厚度为0.9nm～1μm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底或柔性材料衬底；所述底电极、顶电极和调控电极的材料选自金属材料、金属氮化物材料、柔性导电材料和二维原子晶体材料，厚度为0.3～300nm；所述绝缘调控层的材料为SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5或hBN，厚度在0.4～300nm之间。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属材料选自Ti、Cr、Sc、Pd、Au、Pt、W、Al中的一种或多种；所述金属氮化物材料为TiN；所述柔性导电材料为ITO；所述二维原子晶体材料为石墨烯。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)、3)和4)中，采用紫外光刻或电子束光刻的方法定义电极的图形，然后采用电子束蒸发或磁控溅射的方法制备电极。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，通过化学气相沉积、化学气相传输、分子束外延或机械剥离的方法获得所述二维铁电材料。
9.权利要求1～8任一所述制备方法制备的人工异源突触器件的调控方法，包括以下方面：
(1)通过在所述人工异源突触器件的底电极输入直流写入电压，将顶电极接地，将调控电极浮空，并且施加限制电流，则器件将从高阻态切换至低阻态；采用这种状态下的人工异源突触器件来模拟生物突触连接强度强、突触权值大的情况；
通过在所述人工异源突触器件的底电极输入直流擦除电压，将顶电极接地，将调控电极浮空，则器件将从低阻态切换至高阻态；采用这种状态下的人工异源突触器件来模拟生物突触连接强度弱、突触权值小的情况；
(2)通过在所述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲写入信号,将顶电极接地，将调控电极浮空或接地，多个相同的脉冲写入信号使得器件的阻值逐渐降低，电导逐渐升高，最终实现人工异源突触器件的LTP功能；
通过在所述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲擦除信号,将顶电极接地，将调控电极浮空或接地，多个相同的脉冲擦除信号使得器件的阻值逐渐升高，电导逐渐降低，最终实现人工异源突触器件的LTD功能；
当器件处于不同的中间阻态时，对应不同的电导状态，因此可以模拟生物突触不同的连接强度，并且连接强度可以连续调节，连续增大或减小；
(3)通过在所述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲写入信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的促进电压，多个相同的脉冲写入信号使得器件的阻值逐渐降低，相比于调控电极浮空或接地时，阻值降低的幅度显著增大，电导增加的幅度增大，最终实现利用调控电极来促进人工异源突触器件LTP的功能；
通过在所述人工异源突触的底电极输入多个相同的脉冲擦除信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的促进电压，多个相同的脉冲擦除信号使得器件的阻值逐渐升高，相比于调控电极浮空或接地时，阻值升高的幅度显著增大，电导减小的幅度增大，最终实现利用调控电极来促进人工异源突触器件LTD的功能；
当调控电极施加恒定的促进电压时，在相同脉冲激励下器件的阻态变化幅度更大，对应电导的变化也更大，因此能模拟可塑性较强的生物突触，其连接强度可以大幅度调节；
(4)通过在所述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲写入信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的抑制电压，多个相同的脉冲写入信号使得器件的阻值逐渐降低，相比于调控电极浮空或接地时，阻值降低的幅度显著减小，电导增加的幅度减小，最终实现利用调控电极来抑制人工异源突触器件LTP的功能；
通过在所述人工异源突触器件的底电极输入多个相同的脉冲擦除信号,将顶电极接地，将调控电极输入恒定的抑制电压，多个相同的脉冲擦除信号使得器件的阻值逐渐升高，相比于调控电极浮空或接地时，阻值升高的幅度显著减小，电导减小的幅度减小，最终实现利用调控电极来抑制人工异源突触器件LTD的功能；
当调控电极施加恒定的抑制电压时，在相同脉冲激励下器件的阻态变化幅度更小，对应电导的变化也更小，因此能模拟可塑性较弱的生物突触，其连接强度仅可小幅度微调；
(5)通过在所述人工异源突触器件的底电极施加读取电压，顶电极接地，调控电极浮空，读取流经器件底电极和顶电极之间的电流，计算出电导作为突触权重，从而实现人工突触权值的读取。
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