CN113013248B - 一种突触晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种突触晶体管及其制备方法，属于突触晶体管技术领域。本发明提供的突触晶体管结构中栅极将绝缘层和有源层包裹起来，使得栅极电压能从各个方向对沟道电流进行控制，从而减小了沟道漏电流，降低了器件的功耗；本发明提供的突触晶体管与摩擦纳米发电机相结合，在使用时，外力按压基板，使得易失电子层和易得电子层发生相对滑动，摩擦发电，栅极存在了电信号，随着外力继续按压，漏电极与有源层接触，电路导通，沟道有电信号通过，实现了突触晶体管的自发电，进一步降低了器件的功耗。实验结果表明，本发明提供的突触晶体管的开关电流比为105，PPF(双脉冲易化)为1.87，漏电流为10‑9A。
Description
技术领域
本发明属于突触晶体管技术领域，具体涉及一种突触晶体管及其制备方法。
背景技术
随着大数据和海量信息时代的到来，基于CMOS逻辑门和冯诺依曼架构的传统计算机芯片的发展己经遇到了瓶颈。受人类大脑运算模式启发，模拟神经形态的电子器件成为了研究热点，尤其是突触晶体管。要实现真正的“类脑运算”，研制出运算速度快、性能稳定、功耗小的突触晶体管是必须攻关的技术难题。从结构上来说，当前的突触晶体管结构主要有两种，一种是基于TFT结构，器件从上到下依次为有源层、绝缘层和栅极，另一种是全包围栅极突触晶体管，有源层为圆柱体，有源层外侧依次包裹绝缘层和栅极，前者的结构栅极只能在一个方向上控制沟道电流，导致对导电沟道的控制能力不强，使沟道的漏电流变大，从而增加器件的功耗，突触晶体管的开关电流比也会变小，器件的整体性能都会下降，后者虽然能够弥补前者栅极对导电沟通控制能力的不足，在一定程度上降低了器件的功耗，但是随着对器件性能要求的不断提高，需要进一步降低器件的功耗。
因此，有必要设计一种突触晶体管以进一步降低器件的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种突触晶体管及其制备方法。本发明提供的突触晶体管可实现栅极自供电，大大降低了突触晶体管的功耗。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种突触晶体管，包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板；
所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1；
所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面；
所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层；
所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端；
所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2；
所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面；
所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板。
优选地，所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2的材质独立地为硼磷硅玻璃、二氧化硅和氮化硅中的至少一种。
优选地，所述绝缘层由固态电解质的纳米线构成，厚度为10～100nm。
优选地，所述栅极的高度为30～500nm，厚度为5～50nm。
优选地，所述易失电子层的材质为聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚酰亚胺和特氟龙中的至少一种，厚度为20～200nm。
优选地，所述感应电极的材质为铝、金、银、钼、钨、铜和铁中的至少一种。
优选地，所述易得电子层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为20～200nm。
优选地，所述基板的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
优选地，所述支撑板的高度为50nm～50μm。
本发明还提供了上述技术方案所述突触晶体管的制备方法，包括如下步骤：
在基底上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的源电极；
在所述基底上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层1；
在所述金属间绝缘体层1上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到栅极；
在所述栅极内壁上采用静电纺丝法制备绝缘层；
在所述绝缘层内部采用溅射的方法制备有源层；
在所述栅极外侧采用涂抹的方法制备易失电子层；
在所述金属间绝缘体层1上采用沉积或溅射的方法制备支撑板；
在基板上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的漏电极；
在所述基板上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层2；
在所述金属绝缘体层2上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到感应电极；
先在所述感应电极的内壁上采用涂抹的方法制备易得电子层，再将所述金属绝缘体层2倒放在所述支撑板上。
本发明提供了一种突触晶体管，包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板；所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1；所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面；所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层；所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端；所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2；所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面；所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板。本发明提供的突触晶体管结构中栅极将绝缘层和有源层包裹起来，使得栅极电压能从各个方向对沟道电流进行控制，从而减小了沟道漏电流，降低了器件的功耗；本发明提供的突触晶体管与摩擦纳米发电机相结合，在使用时，外力按压基板，使得易失电子层和易得电子层发生相对滑动，摩擦发电，栅极存在了电信号，随着外力继续按压，漏电极与有源层接触，电路导通，沟道有电信号通过，实现了突触晶体管的自发电，进一步降低了器件的功耗。实验结果表明，本发明提供的突触晶体管的开关电流比为105，PPF(双脉冲易化)为1.87，漏电流为10-9A。
附图说明
图1为本发明提供的突触晶体管的结构示意图；
图2为本发明提供的突触晶体管沿图1中A-A面的剖视图；
图3为本发明提供的突触晶体管沿图1中B-B面的剖视图；
图4为本发明提供的突触晶体管的制备工艺流程示意图；
图5为本发明提供的突触晶体管中摩擦纳米发电机工作原理的示意图；
图6为对比例1的突触晶体管的结构示意图；
图7为对比例1的突触晶体管的PPF性能曲线；
图8为实施例2的突触晶体管的PPF性能曲线；
图9为对比例1的突触晶体管的转移特性测试结果示意图；
图10为实施例2的突触晶体管的转移特性测试结果示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种突触晶体管，包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板；
所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1；
所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面；
所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层；
所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端；
所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2；
所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面；
所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板。
本发明提供的突触晶体管的结构示意图如图1所示。
如图1所示，在本发明中，所述突触晶体管包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板。
如图1所示，在本发明中，所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1。
在本发明中，所述源电极的材质优选为Al、Au、Ag、Mo、W、Cu、Fe中的至少一种；所述源电极的高度优选为10～50nm，更优选为20～30nm。本发明对所述源电极的直径没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述源电极的下表面还设有基底。本发明对所述基底的材质没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。本发明对所述基底的厚度没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。在本发明中，所述基底用于支撑源电极。
在本发明中，所述金属间绝缘体层1的材质优选为硼磷硅玻璃、二氧化硅和氮化硅中的至少一种；所述金属间绝缘体层1的厚度优选与源电极的高度相同；所述金属间绝缘体层1的长度和宽度优选与所述基底的长度和宽度相等。在本发明中，所述金属间绝缘体层1用于将源电极与栅极阻隔开，降低漏电流。
如图1所示，在本发明中，所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述有源层的直径大于所述源电极和漏电极的直径。
在本发明的一个实施例中，所述漏电极和源电极的直径相同。
在本发明中，所述有源层的材质优选为SnSiO、SnZrO、InSnBaO、InZnO和InGaN中的至少一种；所述有源层的高度优选为30～500nm，更优选为50～300nm。
如图1所示，在本发明中，所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层。
在本发明中，所述绝缘层优选由固态电解质的纳米线构成；所述固态电解质的材质优选为聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷、聚偏氯乙烯、单离子聚合物电解质、钙钛矿型固态电解质、NASICON型固态电解质、LISICON型固态电解质和石榴石型固态电解质中的至少一种；所述绝缘层的厚度优选为10～100nm，更优选为30～50nm。在本发明中，固态电解质的纳米线的质子迁移率高，将其制备层绝缘层，能够使突触晶体管的双电层效应更明显，突触特性更突出。
在本发明中，所述栅极的材质优选为Al、Au、Ag、Mo、W、Cu和Fe中的至少一种；所述栅极的高度优选为30～500nm，更优选为50～300nm；所述栅极的厚度优选为5～50nm，更优选为20～40nm。
在本发明中，所述易失电子层的材质优选为聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚酰亚胺和特氟龙中的至少一种；所述易失电子层的厚度优选为20～200nm，更优选为20～100nm。在本发明中，所述易失电子层用于按压突触晶体管时释放电子。
如图1所示，在本发明中，所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端。在本发明中，所述易得电子层内径与易失电子层外径相同能够保证在外力按压时两层之间能够发生相对滑动，摩擦起电。
在本发明中，所述感应电极的材质优选为铝、金、银、钼、钨、铜和铁中的至少一种；所述感应电极的高度优选为30～500nm，更优选为50～300nm；所述感应电极的厚度优选为5～50nm，更优选为20～40nm。
在本发明中，所述易得电子层的材质优选为聚甲基丙烯酸甲酯；所述易得电子层的厚度优选为20～200nm，更优选为20～100nm。在本发明中，在外力按压时，所述易得电子层与易失电子层相对滑动产生接触，能够使易失电子层中的电子流向易得电子层，从而产生电流。
如图1所示，在本发明中，所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2。
在本发明中，所述漏电极的材质优选为Al、Au、Ag、Mo、W、Cu、Fe中的至少一种；所述漏电极的高度优选为10～50nm，更优选为20～30nm。
在本发明中，金属间绝缘体层2的材质优选为硼磷硅玻璃、二氧化硅和氮化硅中的至少一种；所述金属间绝缘体层2的厚度优选与漏电极的高度相同；所述金属间绝缘体层2的长度和宽度优选与所述金属间绝缘体层1的长度和宽度相同。在本发明中，所述金属间绝缘体层2起到绝缘的作用，降低漏电流。
如图1所示，在本发明中，所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面。
在本发明中，所述基板的材质优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺；所述基板的长度和宽度优选与所述金属间绝缘体层1的长度和宽度相同。本发明对所述基板的厚度没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。在本发明中，所述基板在受外力按压时带动漏电极和易得电子层向下运动，使得易得电子层与易失电子层相对滑动，摩擦起电，在漏电极与有源层接触时，电路连通，实现突触晶体管的自供电；所述基板的材质为上述材料时能够提高基板的柔性，在较小外力的作用下就可以实现自供电，提高了突触晶体管的灵敏度。
如图1所示，在本发明中，所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板。在本发明中，所述支撑板用于支撑金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2，保证突触晶体管结构的稳定性。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述支撑板的数量为两个，所述两个支撑板分别位于金属间绝缘体层1的两侧。
在本发明中，所述支撑板的材质优选为绝缘材料，更优选为二氧化硅；所述支撑板的高度优选为50nm～50μm，更优选为500nm～10μm。本发明对所述支撑板的厚度没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。
本发明对所述突触晶体管结构中材质的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
本发明提供的突触晶体管结构中栅极将绝缘层和有源层包裹起来，使得栅极电压能从各个方向对沟道电流进行控制，从而减小了沟道漏电流，降低了器件的功耗；本发明提供的突触晶体管与摩擦纳米发电机相结合，在使用时，外力按压基板，使得易失电子层和易得电子层发生相对滑动，摩擦发电，栅极存在了电信号，随着外力继续按压，漏电极与有源层接触，电路导通，沟道有电信号通过，实现了突触晶体管的自发电，进一步降低了器件的功耗，可以用来模拟皮肤触觉突触触感器，类似于打气筒打气的过程。
本发明提供的突触晶体管的结构为自供电全包围栅极结构，栅极、绝缘层和有源层成同心圆形状依次制备，即栅极呈全包围状将绝缘层和有缘层包裹起来，此时栅极电压可以从各个方向对沟道电流进行控制，控制能力得到大幅度的提高，优化了器件的漏电流、开关电流比、稳定性和功耗等性能，克服了基于“底栅”或“顶栅”TFT结构的突触晶体管中栅极电压只能从一个方向对沟道电流进行控制，由于栅电压对沟道电流的控制能力较弱，导致的沟道漏电流较大，器件的功耗高，同时器件的稳定性和效率降低的缺陷。
本发明提供的突触晶体管结构中将突触晶体管和摩擦纳米发电机集成在一起，可实现栅极自供电，大大减小了突触晶体管的功耗，同时也可以作为触觉传感器，实现器件结构简单的自供电触觉突触。
本发明提供的突触晶体管中摩擦纳米发电机工作原理的示意图如图5所示，从图5可以看出，在外力按压时易得电子层与易失电子层发生相对滑动，能够使易失电子层中的电子流向易得电子层，从而产生摩擦起电，实现自供电。
本发明提供的突触晶体管可以单独使用，也可以与其他器件连接使用。在与其他器件连接使用时，本发明优选在所述突触晶体管的漏电极与基板之间以及源电极与基底之间分别引出互连线。本发明对所述互连线的排布方式没有特殊的限定，根据电路功能的需求进行调整即可。在本发明中，所述互连线的材质优选为Al、Au、Ag、Mo、W、Cu和Fe中的至少一种；所述互连线的厚度优选为10～30nm，更优选为15～25nm；所述互连线的宽度优选为10～30nm，更优选为15～25nm；所述互连线优选采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备。本发明对所述互连线制备时所采用的热蒸发、溅射和光刻刻蚀的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热蒸发、溅射或光刻刻蚀的操作即可。
本发明还提供了上述技术方案所述突触晶体管的制备方法，包括如下步骤：
在基底上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的源电极；
在所述基底上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层1；
在所述金属间绝缘体层1上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到栅极；
在所述栅极内壁上采用静电纺丝法制备绝缘层；
在所述绝缘层内部采用溅射的方法制备有源层；
在所述栅极外侧采用涂抹的方法制备易失电子层；
在所述金属间绝缘体层1上采用沉积或溅射的方法制备支撑板；
在基板上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的漏电极；
在所述基板上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层2；
在所述金属绝缘体层2上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到感应电极；
先在所述感应电极的内壁上采用涂抹的方法制备易得电子层，再将所述金属绝缘体层2倒放在所述支撑板上。
本发明在基底上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的源电极。
在本发明中，在基底上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的源电极之前还包括对基底依次进行清洗和烘干处理。本发明对所述基底进行清洗和烘干处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的对基底进行清洗和烘干处理的操作即可。本发明对基底进行清洗和烘干处理，避免杂质对器件性能的影响。
本发明对所述制备源电极所采用的热蒸发、溅射和光刻刻蚀的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热蒸发、溅射或光刻刻蚀的操作即可。本发明对源电极的具体图案没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。
本发明在所述基底上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层1。本发明对所述制备金属间绝缘体层1采用的化学气相沉积和溅射的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的化学气相沉积和溅射即可。在本发明中，所述金属间绝缘体层能够将源电极与后续步骤所制备的栅极阻隔开。
得到金属间绝缘体层1后，本发明在所述金属间绝缘体层1上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将所述圆柱体刻蚀成圆筒状，得到栅极。本发明对采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将所述圆柱体刻蚀成圆筒状的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热蒸发、溅射、光刻刻蚀和反应离子刻蚀的操作即可。
得到金属间绝缘体层1后，本发明在所述金属间绝缘体层1上采用沉积或溅射的方法制备支撑板。本发明对制备支撑板所采用的沉积和溅射的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的沉积和溅射即可。
得到栅极后，本发明在所述栅极内壁上采用静电纺丝法制备绝缘层。本发明对所述静电纺丝法的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的静电纺丝法即可。在本发明中，所述绝缘层采用静电纺丝法制备，能够提高质子迁移率，使得突触特性更明显。
得到栅极后，本发明在所述栅极外侧采用涂抹的方法制备易失电子层。本发明对所述涂抹的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的涂抹操作即可。
得到绝缘层后，本发明在所述绝缘层内部采用溅射的方法制备有源层。在本发明中，采用溅射的方法制备有源层时需要将绝缘层内部填满。本发明对所述制备有源层采用的溅射的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的溅射操作即可。
本发明对所述基板的制备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备基板的操作即可。
本发明在基板上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的漏电极。
在本发明中，在基板上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的漏电极之前还包括对基板依次进行清洗和烘干处理。本发明对所述基板进行清洗和烘干处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的对基板进行清洗和烘干处理的操作即可。本发明对基板进行清洗和烘干处理，避免杂质对器件性能的影响。
本发明对所述制备漏电极所采用的热蒸发、溅射和光刻刻蚀的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热蒸发、溅射或光刻刻蚀的操作即可。本发明对漏电极的具体图案没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。
本发明在所述基板上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层2。本发明对所述制备金属间绝缘体层2采用的化学气相沉积和溅射的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的化学气相沉积和溅射即可。
得到金属间绝缘体层2后，本发明在所述金属间绝缘体层1上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将所述圆柱体刻蚀成圆筒状，得到感应电极。本发明对采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将所述圆柱体刻蚀成圆筒状的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热蒸发、溅射、光刻刻蚀和反应离子刻蚀的操作即可。
得到感应电极后，本发明先在所述感应电极的内壁上采用涂抹的方法制备易得电子层，再将所述金属绝缘体层2倒放在所述支撑板上。本发明对所述涂抹的操作以及将金属绝缘体层2倒放在支撑板上的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。
本发明提供的突触晶体管的工艺流程示意图如图4所示，从图4可以看出，突触晶体管分为两部分制备，上部分的制备流程是先在基板上制备圆柱体漏电极，接着制备金属间绝缘体层2，随后在金属间绝缘体层2上制备圆柱体，并将圆柱体内部刻蚀干净使漏电极的底面裸露出来，然后在圆筒内侧制备易得电子层；下部分的制备流程是先在基底上制备圆柱体源电极，接着制备金属间绝缘体层1，随后在金属间绝缘体层1上面制备圆柱体，并将圆柱体刻蚀成圆筒状，然后在圆筒内壁制备绝缘层，再将绝缘层内部填满，最后在圆筒外侧制备易失电子层；将上部分倒扣在下部分上即得突触晶体管。
本发明提供的制备方法简单，采用现有技术中的集成电路平面化工艺就可以完成制备，生产成本低，简单易懂，可操作性强，集成度较高，在未来突触晶体管和类脑计算机的研究方面会有广阔的前景。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的突触晶体管的结构示意图如图1所示；
本实施例提供的突触晶体管沿图1中A-A面的剖视图如图2所示；
本实施例提供的突触晶体管沿图1中B-B面的剖视图如图3所示；
如图1～3所示，所述突触晶体管包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板；
所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1；
所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面；
所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层；
所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端；
所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2；
所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面；
所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板。
实施例2
本实施例1提供的突触晶体管的结构示意图如1所示；
本实施例提供的突触晶体管沿图1中A-A面的剖视图如图2所示；
本实施例提供的突触晶体管沿图1中B-B面的剖视图如图3所示；
如图1～3所示，所述突触晶体管包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板；
所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1；
所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面；
所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层；
所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端；
所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2；
所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面；
所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板；
所述源电极的材质为Cu，高度为30nm，直径为60nm；
所述源电极的下表面还设有基底；所述基底为玻璃材质；
所述金属间绝缘体层1的材质为硼磷硅玻璃，厚度为30nm，长度和宽度与基底的长度和宽度相等；
所述有源层的材质为InZnO，高度为300nm，直径为100nm；
所述绝缘层由石榴石型固态电解质的纳米线构成，高度为300nm，厚度为30nm；
所述栅极的材质为Cu，高度为300nm，外径为200nm，厚度为20nm；
所述易失电子层的材质为聚二甲基硅氧烷，高度为300nm，厚度为20nm；
所述感应电极的材质为Cu，高度为300nm，外径为320nm，厚度为20nm；
所述易得电子层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，高度为300nm，厚度为20nm；
所述漏电极的材质为Cu，高度为30nm，直径为60nm；
金属间绝缘体层2的材质为硼磷硅玻璃，厚度为30nm，长度和宽度与金属间绝缘体层1的长度和宽度相同；
所述基板的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，长度和宽度与所述金属间绝缘体层1的长度和宽度相同；
所述支撑板的数量为两个，所述两个支撑板分别位于金属间绝缘体层1的两侧，材质均为二氧化硅，高度均为500nm；
制备方法的步骤如下：
(1)挑选尺寸合适的玻璃基底，用丙酮、酒精和去离子水依次清洗干净，然后烘干；
(2)在所述步骤(1)得到的烘干的玻璃基底上使用溅射的方法，通过掩膜版制备圆柱体Cu源电极(注：本实施例中所用的溅射、光刻、刻蚀步骤都会用到相应的掩膜版，为了方便叙述，掩膜版在下文中省略)；
(3)在所述步骤(1)得到的烘干的玻璃基底上通过化学气相沉积的方法制备第一层金属间绝缘体层1；
(4)在所述步骤(3)得到的金属间绝缘体层1上采用溅射的方法制备圆柱体，圆柱体要与源电极中心对齐，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，同时将源电极的顶面裸露出来，得到栅极；
(5)在所述步骤(4)得到的栅极内壁上采用静电纺丝法制作固态电解质纳米线薄层制备绝缘层；
(6)在所述步骤(5)得到有源层内部采用溅射的方法将圆筒填满，制备有源层；
(7)在所述步骤(4)得到的栅极外侧涂抹一层聚二甲基硅氧烷作为易失电子层；
(8)在所述步骤(3)得到的金属间绝缘体层1两侧采用溅射的方法制备两层支撑板；
(9)挑选合适尺寸的PET基板，并清洗和烘干，再采用溅射的方法，通过掩膜版制备圆柱体Cu漏电极；
(10)在所述步骤(9)的基板上采用化学气相沉积的方法制备金属间绝缘体层2，使漏电极的上部裸露出来；
(11)在所述步骤(10)得到的金属间绝缘体层2上采用溅射的方法制备圆柱体，圆柱体要与漏电极中心对齐，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到感应电极；
(12)在所述步骤(11)得到的感应电极的内壁上涂抹一层聚甲基丙烯酸甲酯作为易得电子层，再将所述金属绝缘体层2倒扣在支撑板上。
对比例1
突触晶体管为常规的TFT结构，从上到下依次为有源层、绝缘层和栅极，制备方法采用常规的方法制备，其结构示意图如图6所示。
对实施例2和对比例1的突触晶体管进行性能测试，结果如图7～10所示，其中，图7为对比例1的突触晶体管的PPF性能曲线；图8为实施例2的突触晶体管的PPF性能曲线；图9为对比例1的突触晶体管的转移特性测试结果示意图；图10为实施例2的突触晶体管的转移特性测试结果示意图。
从图7和8可以看出，本发明突触晶体管的PPF从1.3提升到1.87，说明本发明提供的突触晶体管的突触特性更明显。
从图9和10可以看出，本发明突触晶体管的开关电流比为105，漏电流为10-9A，说明本发明提供的突触晶体管性能更加稳定。
从实施例2可以看出，将突触晶体管和摩擦纳米发电机集成在一起，能够实现栅极自供电，大大减小了突触晶体管的功耗，且器件特征尺寸可以做到很小。
从以上实施例和对比例可以看出，本发明提供的突触晶体管采用全包围栅极的结构，将绝缘层和有源层包裹在里面，栅极电压对沟道电流的控制能力得到了大幅的提高，器件的整体性能也会更加稳定，大大降低了功耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种突触晶体管，包括自下而上依次设置的源电极、有源层、感应电极、漏电极和基板；
所述源电极为圆柱体，且所述源电极外侧包套金属间绝缘体层1；
所述有源层与源电极为同轴圆柱体，并接触设置于所述源电极的上表面；
所述有源层外侧依次包覆有绝缘层、栅极和易失电子层；
所述感应电极为圆筒状且与源电极同轴；所述感应电极的内壁上设有易得电子层，且所述易得电子层的下端接触套设在所述易失电子层的上端；
所述漏电极为圆柱体且与源电极同轴；所述漏电极外侧包套金属间绝缘体层2；
所述基板接触设置于所述漏电极和金属间绝缘体层2的上表面；
所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2之间垂直设置有支撑板。
2.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述金属间绝缘体层1和金属间绝缘体层2的材质独立地为硼磷硅玻璃、二氧化硅和氮化硅中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述绝缘层由固态电解质的纳米线构成，厚度为10～100nm。
4.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述栅极的高度为30～500nm，厚度为5～50nm。
5.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述易失电子层的材质为聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚酰亚胺和特氟龙中的至少一种，厚度为20～200nm。
6.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述感应电极的材质为铝、金、银、钼、钨、铜和铁中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述易得电子层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为20～200nm。
8.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述基板的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
9.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述支撑板的高度为50nm～50μm。
10.权利要求1～9任意一项所述突触晶体管的制备方法，包括如下步骤：
在基底上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的源电极；
在所述基底上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层1；
在所述金属间绝缘体层1上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到栅极；
在所述栅极内壁上采用静电纺丝法制备绝缘层；
在所述绝缘层内部采用溅射的方法制备有源层；
在所述栅极外侧采用涂抹的方法制备易失电子层；
在所述金属间绝缘体层1上采用沉积或溅射的方法制备支撑板；
在基板上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备图案化的漏电极；
在所述基板上采用化学气相沉积或溅射的方法制备金属间绝缘体层2；
在所述金属间 绝缘体层2上采用热蒸发、溅射或光刻刻蚀的方法制备圆柱体，再采用反应离子刻蚀的方法将圆柱体刻蚀成圆筒状，得到感应电极；
先在所述感应电极的内壁上采用涂抹的方法制备易得电子层，再将所述金属间 绝缘体层2倒放在所述支撑板上。
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2021
- 2021-02-19 CN CN202110191424.0A patent/CN113013248B/zh active Active
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