CN112864164A - 三端人工光学突触及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三端人工光学突触，包括：栅极(2)；依次叠设于所述栅极表面的离子存储层(3)；离子导体层(4)和半导体沟道层(5)；源极(6)和漏极(7)，分别位于所述半导体沟道层(5)的表面两端；其中，所述半导体沟道层(5)采用与所述离子存储层(3)的互补的半导体材料。本发明还提供一种该三端人工光学突触的制备方法。本发明通过对半导体沟道层施加不同的光学和电学脉冲调节该层内部的活跃性离子的浓度，从而实现人工光学突触的兴奋和抑制。本发明的三端人工光学突触器件采用互补型半导体的电容效应提高了稳定性和重复率，降低了人工光学突触的能耗，对沟道导电性的增强和抑制的可控性增强。

Description

三端人工光学突触及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子器件和人工突触领域，具体涉及一种三端人工光学突触及其制备方法。

背景技术

现有的冯·诺依曼架构和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术下的计算系统很大程度上限制了计算效率的发展。随着数据的爆炸式增长，信息系统越来越追求高数据处理效率来解决规模巨大的数据运算问题，而人类大脑在存储、功耗和信息处理能力上都远超过了现有最先进的电子计算机，人工智能技术需要更加智慧地从大量冗杂信息中进行信息筛选和过滤。对于信息感知和学习，传统的探测器更加关注实时的光电响应，而未来人工智能技术的信息感知系统需要像人眼一样更智慧地筛选和学习信息。

众所周知，视觉系统感知信息的过程如下：首先，物体反射的光经过瞳孔进行预处理进入人眼，微型图像映射到视网膜上的感知神经元上，这个过程称为感知记忆。然后，感知记忆的信息被选择性地转移到大脑的视觉皮层，形成一个容易被遗忘的短期记忆。最后，短期记忆经过重复训练使神经细胞之间的突触权重增强，从而在大脑内部实现长期记忆。

就目前的发展形势而言，人工突触的研究都朝向两端的忆阻器，并且忆阻器通过电压调节可实现一个或多个内部状态。虽然忆阻器在可扩展性、能耗、存算一体和机械学习等方面具有巨大优势，但其器件的可靠性、重复性以及批次之间的均一性等方面距离商业化仍然存在巨大差距，并且大多数具有光学可调的两端人工光学突触具有易失性。因此人工突触的研究正在逐步由两端器件向三端器件转变，三端晶体管型的器件在源-漏之间的沟道电导既可以使用光学脉冲进行写入操作，又可以通过对栅极施加电学脉冲来实现擦除操作。相比于两端结构，三端器件结构多加一个电极使其能够更便捷的调控器件性能。但目前的三端光电双调制器件仍然存在稳定性的商业瓶颈，我们通过改善其结构和材料特征进一步增加其光学可调的稳定性。该结构的器件在未来大规模集成的传感设备、新型存储器、逻辑电路及人工智能器件等领域具有应用潜力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对两端和三端的人工光学突触器件现有的技术缺陷，本发明提供一种新型的三端人工光学突触器件及其制备方法，以解决现有技术中人工突触稳定性与重复性较低的问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种三端人工光学突触，包括：栅极2；依次叠设于所述栅极表面的离子存储层3、离子导体层4和半导体沟道层5；源极6和漏极7，分别位于所述半导体沟道层5的表面两端；其中，所述半导体沟道层5采用与所述离子存储层3的互补的半导体材料。

根据本公开的实施例，其中，所述三端人工光学突触还包括：衬底1，所述栅极2位于所述衬底1的表面。

根据本公开的实施例，其中，所述衬底1包括Si/SiO₂衬底、石英衬底或塑料PET。

根据本公开的实施例，其中，所述离子存储层3采用带缺陷的P型半导体薄膜材料，所述半导体沟道层5采用带缺陷的N型半导体薄膜材料。

根据本公开的实施例，其中，所述离子存储层3材料包括NiO、IrO₂、Co₂O₃、Rh₂O₃或MnO₂，所述半导体沟道层5材料包括WO₃、MoO₃、Nb₂O₅或TiO₂。

根据本公开的实施例，其中，所述离子导体层4采用含有活跃离子的电解质，所述离子导体层4材料包括LiNbO₃或质子导体固体聚合物电解质。

根据本公开的实施例，其中，所述栅极2为惰性金属或电导率较高的惰性材料，所述栅极2材料包括Pt或Au。

根据本公开的实施例，其中，所述源极6和漏极7均为惰性金属或电导率较高的惰性材料，所述源极6和漏极7的材料均包括ITO、FTO、Pt或Au。

根据本公开的实施例，其中，所述栅极2的厚度为50～200nm，所述离子存储层3的厚度为50～300nm，所述离子导体层4的厚度为15～20nm，所述半导体沟道层5的厚度为50～200nm，所述源极6和漏极7厚度均为100～200nm。

本发明另一方面提供了一种三端人工光学突触的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，选择一衬底1，并对其进行清洁处理；步骤S2，在衬底1上制备栅极2；步骤S3，将所述栅极2置于缺氧状态下沉积离子存储层3；步骤S4，在所述离子存储层3上形成离子导体层4；步骤S5，在所述离子导体层4上形成半导体沟道层5；步骤S6，在所述半导体沟道层5的表面两端溅射源极6和漏极7，制得三端人工光学突触。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明的基于互补型半导体的三端人工光学突触结构在传统两端口和三端口的视觉神经突触的基础上进行结构优化，通过利用互补型的半导体材料堆垛形成离子存储层、离子导体层和半导体沟道层，通过该三层的电容效应可以稳定且有效的存储和释放沟道层内的电荷，提高了稳定性和重复率。

(2)本发明的器件采用互补型半导体的电容效应，撤去栅极电压之后仍能保持半导体沟道层的电荷量，因此，通过该方法可以有效降低光学突触的能耗。

(3)本发明的器件利用光学和电学对沟道层的电导状态进行双调控，对沟道导电状态的增强和抑制的可控性增强，因此该三端视觉神经突触器件可应用于人工智能机器人的视觉神经系统。

附图说明

图1是本发明实施例的三端人工光学突触的结构示意图。

图2是本发明实施例的三端人工光学突触的工作原理示意图。

图3是本发明实施例的三端人工光学突触的制备方法的流程图。

图4是本发明实施例的三端人工光学突触在正栅压脉冲处理之后的光学记忆曲线预期结果。

图5是本发明实施例的三端人工光学突触在负栅压脉冲或无电学脉冲处理之后的光学记忆曲线预期结果。

图6是本发明实施例的三端人工光学突触的多次光写入和电擦除操作的稳定性和重复性的预期结果。

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，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所描述的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例的三端人工光学突触的结构示意图。

如图1所示，本发明一方面提供了一种三端人工光学突触，其包括：栅极2；依次叠设于栅极2表面的离子存储层3、离子导体层4和半导体沟道层5；源极6和漏极7，分别位于半导体沟道层5的表面两端；其中，半导体沟道层5采用与离子存储层3的互补的半导体材料。

此外，该三端人工光学突触还包括衬底1，栅极2位于衬底1的表面。

本发明实施例中，衬底1材料可选用Si/SiO₂衬底1、石英衬底1或聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料(简称PET)，衬底1具有良好的绝缘性能。

为保证人工光学突触的质量，衬底1为粗糙度较小的常用衬底1。

栅极2为惰性金属或电导率较高的惰性材料，例如可以为Pt或Au。栅极2的厚度为50～200nm。

离子存储层3采用带缺陷的P型半导体薄膜材料，例如可以为NiO、IrO₂、Co₂O₃、Rh₂O₃或MnO₂。离子存储层3的厚度为50～300nm。

离子导体层4采用含有活跃离子的电解质，例如可以为LiNbO₃或质子导体固体聚合物电解质(简称H-SPE)。离子导体层4的厚度为15～20nm。

半导体沟道层5采用带缺陷的N型半导体薄膜材料，例如可以为WO₃、MoO₃、Nb₂O₅或TiO₂。半导体沟道层5的厚度为50～200nm。

可以理解的是，半导体沟道层5的N型半导体薄膜材料与离子存储层3的P型半导体薄膜材料在半导体属性上互补。

源极6和漏极7均为惰性金属或电导率较高的惰性材料，例如可以为ITO、FTO、Pt或Au。源极6和漏极7厚度均为100～200nm。

以下以衬底1为Si/SiO₂、栅极2为Ti/Au、离子存储层3为NiO、离子导体层4为LiNbO₃、半导体沟道层5为WO₃、源极6和漏极7均为ITO为例，说明本发明实施例提供的三端人工光学突触的具体工作原理。

图2是本发明实施例的三端人工光学突触的工作原理示意图。

参阅图2，对图1的三端人工光学突触结构进行详细说明，本发明实施例中，通过对栅极2施加正向偏压，会使离子导体层4中的Li⁺向N型半导体沟道层5WO₃迁移，半导体沟道层5可进一步通过光脉冲进行写入操作，使大量的W⁶⁺被还原成W⁵⁺，导致W⁵⁺或者V_o增多，从而为半导体沟道层5提供光电流，使电导进一步增强；

通过对栅极2施加负脉冲时，半导体沟道层5内的锂离子被抽取，半导体沟道层5和离子存储层3内的反应逆向进行，从而使W⁵⁺被氧化成W⁶⁺，导致W⁵⁺或者V_o减少，从而实现擦除操作。

因此，本发明使用P型半导体作为离子存储层3，使用含有活跃离子的电解质作为离子导体层4，使用N型半导体作为半导体沟道层5。通过对半导体沟道层5施加不同的光学脉冲和对栅极2施加不同的电学脉冲，调节半导体沟道层5内部的活跃性离子的浓度，从而实现人工光学突触地兴奋和抑制。

图3是本发明实施例的三端人工光学突触的制备方法的流程图。

如图3所示，本发明另一方面提供了一种三端人工光学突触的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，选择一衬底1，并对其进行清洁处理；步骤S2，在衬底1上形成栅极2；步骤S3，将栅极2置于缺氧状态下沉积离子存储层3；步骤S4，在离子存储层3上形成离子导体层4；步骤S5，在离子导体层4上形成半导体沟道层5；步骤S6，在半导体沟道层5的表面两端溅射源极6和漏极7，制得三端人工光学突触。

本发明实施例中，步骤S3中的缺氧状态下的沉积功率为300W，真空度为0.5微米汞柱(也即单位mTorr)。

本发明实施例中，栅极2的厚度为50～200nm，离子存储层3的厚度为50～300nm，离子导体层4的厚度为15～20nm，半导体沟道层5的厚度为50～200nm，源极6和漏极7厚度均为100～200nm。

以下将结合具体的实施例对本发明实施例的三端人工光学突触的制备方法中的各步骤进行详细说明。

步骤S1，选择一衬底，并对其进行清洁处理。

本步骤的衬底清洗具体包括：选择单面抛光的Si/SiO₂，先用浓硫酸和过氧化氢的混合溶液清洗10min，然后依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别在85％的功率超声振荡10min，用氮气枪吹干。

步骤S2，在衬底上制备栅极。

本步骤依次通过光刻、热蒸发和剥离工艺实现。

具体来说，光刻工艺包括：通过旋涂负胶(转速1000rpm，6s；6000rpm，20s)、前烘(110℃，2min)、紫外曝光(300W，30s)、后烘(100℃，80s)、显影(2min30s)，在衬底上制备光刻图形，显影后暴露出来的衬底即栅极图形。

热蒸发工艺包括：使用惰性金属Au做栅极，通过热蒸发的方法在衬底上生长一层5nm的Ti作为黏附层，随后蒸发100nmAu，蒸发过程中腔室的真空度为5×10^-4Pa；

剥离工艺包括：使用丙酮浸泡上步骤制作的薄膜样品30min，使用注射器冲洗以辅助剥离光刻胶部分的金属，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，最后用氮气枪进行干燥。

需要说明的是，本步骤中，若栅极2为黏附性不强的金属，例如Au和Pt，可以在其底电极底部生长5～10nm厚度的黏附层，该粘附层例如可以为Ti和Cr，从而保证栅极2可以正常黏附在衬底1上。

步骤S3，将栅极置于缺氧状态下沉积离子存储层。

本步骤依次通过光刻工艺和磁控溅射工艺实现。

其中，光刻工艺包括：通过旋涂负胶(转速1000rpm，6s；6000rpm，20s)、前烘(110℃，2min)、紫外曝光(300W，30s)、后烘(100℃，80s)、显影(2min30s)在衬底上制备光刻图形，显影后暴露出来的栅极即离子存储层图形。

磁控溅射离子存储层包括：使用100W的功率，射频溅射纯度为99.99％的NiO靶材，以氩气和氧气比例为30：2，并且真空度为0.5mTorr的条件下进行磁控溅射。最终制得的离子存储层厚度为50～300nm。

步骤S4，在离子存储层上形成离子导体层。

本步骤通过磁控溅射工艺实现，使用100W的功率，射频溅射纯度为99.99％的LiNbO₃靶材，在纯氩气并且真空度为0.5mTorr的条件下进行磁控溅射。最终制得的离子导体层的厚度为15～20nm。

步骤S5，在离子导体层上形成半导体沟道层。

首先，磁控溅射半导体沟道层，使用150W的功率，射频溅射纯度为99.99％的W靶材，在氩气和氧气比例为30：6，并且真空度为0.5mTorr的条件下进行磁控溅射。最终制得的半导体沟道层的厚度为50～200nm。

在半导体沟道层制成之后，还需进行剥离工艺，也即，使用丙酮浸泡上步骤的薄膜样品30min，使用注射器冲洗以辅助剥离光刻胶部分的金属，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，最后用氮气枪进行干燥。

步骤S6，在半导体沟道层的表面两端溅射源极和漏极，制得三端人工光学突触。

本步骤可以依次通过光刻、磁控溅射和剥离工艺实现。

其中，光刻工艺包括：通过旋涂负胶(转速1000rpm，6s；6000rpm，20s)、前烘(110℃，2min)、紫外曝光(300W，30s)、后烘(100℃，80s)、显影(2min30s)在衬底上制备光刻图形，显影后暴露出来的图形为源极和漏极。

接下来，进行磁控溅射源极和漏极，使用100W的功率，直流溅射纯度为99.99％的ITO靶材，在纯氩气并且真空度为0.5mTorr的条件下进行磁控溅射。最终制得的源极和漏极厚度均为100～200nm。

最终，进行剥离工艺，具体来说，使用丙酮浸泡上步骤制作的薄膜样品30min，使用注射器冲洗以辅助剥离光刻胶部分的金属，再依次用无水乙醇和去离子水清洗，最后用氮气枪进行干燥。

需要说明的是，以上只是示例性说明，本实施例不限于此。例如，在其他实施例中，本步骤的源极和漏极制备过程可以采用真空蒸镀代替上述磁控溅射源极和漏极的过程，具体的真空蒸镀过程可以根据实际需要进行控制，以形成源极和漏极即可。

至此，本发明实施例的三端人工光学突触的制备方法已全部说明完毕。

本发明还对经过上述制备方法制得的三端人工光学突触器件进行了测试和结果预期。

图4是本发明实施例的三端人工光学突触在正栅压脉冲处理之后的记忆曲线预期结果。

如图4所示，通过对三端人工光学突触的源漏极之间的电流进行监控，在对栅极施加正向脉冲(例如可以为睁眼操作)之后，为半导体沟道层提供Li⁺粒子，通过紫外光脉冲可以使器件使沟道层内部的导电离子进一步增多，具有视觉记忆效应。

图5是本发明实施例的三端人工光学突触在负栅压脉冲或无电学脉冲处理之后的记忆曲线预期结果。

如图5所示，通过对三端人工光学突触的源漏极之间的电流进行监控，在对栅极施加负向脉冲或者未施加电学脉冲(例如可以为闭眼操作)之后，半导体沟道层内可供光学反应的离子不够多，不足以达到视觉记忆的目的。

图6是本发明实施例的三端人工光学突触的多次擦写操作的稳定性和重复性的预期结果。

如图6所示，本发明通过对半导体沟道层进行光学写入和电学擦除，实现多脉冲多循环的擦写操作。

由此可知，本实施例通过栅极对半导体沟道层导电离子的精确控制，可以有效提高器件的稳定性和重复性。

根据本发明的实施例可知，本发明通过利用互补型的半导体材料堆垛形成离子存储层、离子导体层和半导体沟道层，通过该三层的电容效应可以稳定且有效的存储和释放沟道层内的电荷，通过该方法降低了电子突触的能耗，提高了稳定性和重复性。

综上所述，本发明提供一种三端人工光学突触及其制备方法，通过对半导体沟道层施加不同的光学和电学脉冲调节该层内部的活跃性离子的浓度，从而实现人工光学突触地兴奋和抑制。本发明的器件采用互补型半导体的电容效应提高了稳定性和重复率，降低了人工光学突触的能耗，对沟道导电性的增强和抑制的可控性增强。

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，所应理解的是，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)

1.一种三端人工光学突触，其特征在于，包括：

栅极(2)；

依次叠设于所述栅极表面的离子存储层(3)、离子导体层(4)和半导体沟道层(5)；

源极(6)和漏极(7)，分别位于所述半导体沟道层(5)的表面两端；

其中，所述半导体沟道层(5)采用与所述离子存储层(3)的互补的半导体材料。

2.根据权利要求1所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述三端人工光学突触还包括：

衬底(1)，所述栅极(2)位于所述衬底(1)的表面。

3.根据权利要求2所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述衬底(1)包括Si/SiO₂衬底、石英衬底或塑料PET。

4.根据权利要求1所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述离子存储层(3)采用带缺陷的P型半导体薄膜材料，所述半导体沟道层(5)采用带缺陷的N型半导体薄膜材料。

5.根据权利要求4所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述离子存储层(3)材料包括NiO、IrO₂、Co₂O₃、Rh₂O₃或MnO₂，所述半导体沟道层(5)材料包括WO₃、MoO₃、Nb₂O₅或TiO₂。

6.根据权利要求1所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述离子导体层(4)采用含有活跃离子的电解质，所述离子导体层(4)材料包括LiNbO₃或质子导体固体聚合物电解质。

7.根据权利要求1所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述栅极(2)为惰性金属或电导率较高的惰性材料，所述栅极(2)材料包括Pt或Au。

8.根据权利要求1所述的三端人工光学突触，其特征在于，所述源极(6)和漏极(7)均为惰性金属或电导率较高的惰性材料，所述源极(6)和漏极(7)的材料均包括ITO、FTO、Pt或Au。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述栅极(2)的厚度为50～200nm，所述离子存储层(3)的厚度为50～300nm，所述离子导体层(4)的厚度为15～20nm，所述半导体沟道层(5)的厚度为50～200nm，所述源极(6)和漏极(7)厚度均为100～200nm。

10.一种基于权利要求2所述三端人工光学突触的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，选择一衬底(1)，并对其进行清洁处理；

步骤S2，在衬底(1)上制备栅极(2)；

步骤S3，将所述栅极(2)置于缺氧状态下沉积离子存储层(3)；

步骤S4，在所述离子存储层(3)上形成离子导体层(4)；

步骤S5，在所述离子导体层(4)上形成半导体沟道层(5)；

步骤S6，在所述半导体沟道层(5)的表面两端溅射源极(6)和漏极(7)，制得三端人工光学突触。

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