CN113675223B - 一种光电突触器件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种光电突触器件及其应用，属于人工突触技术领域。光电突触器件包括多个电性连接的光电突触元器件。每个光电突触元器件包括层叠设置的基片、非晶氧化镓层以及收集电极，非晶氧化镓层与收集电极相邻设置，非晶氧化镓层中氧空位浓度的控制可通过在0～0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得以实现。光电突触器件具备较稳定的突触性能和较低的突触触发能耗；光电突触器件用作模拟生物突触行为的器件在人工神经网络硬件中的应用，能以较低能耗执行突触事件；光电突触器件用作图像处理的器件在图像传感设备中的应用，能有效实现抑噪。

Description

一种光电突触器件及其应用
技术领域
本申请涉及人工突触技术领域，具体而言，涉及一种光电突触器件及其应用。
背景技术
神经元是人类大脑功能的基本单位，突触是神经元进行信号传递和信息交换的重要结构。每个突触不仅可以同时执行计算和存储，而且可以有效地并行处理大量信息。更重要的是，触发突触事件的能量消耗仅为1~100fJ。因此，模拟人脑突触的功能和性能是在海量数据时代构建神经形态计算的基石。
近年来，以光为刺激的光电突触器件逐渐成为突触领域的研究重点。一方面，与电输入相比，非接触式光输入具有带宽大、串扰低且无RC延迟等优点；另一方面，人们从外界感知到的信息中有70%以上来自视觉，而光电突触器件是模拟人类视觉的必要基础。
低能耗是突触器件期望的最大优势之一，然而，当前报道的大多数光电突触器件主要集中在突触可塑性的模拟上而忽略了低能耗的实现。实现低能耗仍然是光电突触器件的挑战。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光电突触器件及其应用，光电突触器件具备较稳定的突触性能和较低的突触触发能耗。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种光电突触器件，包括：多个电性连接的光电突触元器件，每个光电突触元器件包括层叠设置的基片、非晶氧化镓层以及收集电极，非晶氧化镓层与收集电极相邻设置，非晶氧化镓层中氧空位浓度的控制可通过在0~0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得以实现。
第二方面，本申请实施例提供一种如第一方面实施例提供的光电突触器件用作模拟生物突触行为的器件在人工神经网络硬件中的应用。
第三方面，本申请实施例提供一种如第一方面实施例提供的光电突触器件用作图像处理的器件在图像传感设备中的应用。
本申请实施例提供的光电突触器件及其应用，有益效果包括：
本申请提供的光电突触器件，非晶氧化镓层在电离时会发生氧空位的迁移且具有较高的去离化势垒，使得光电突触器件具备较稳定的突触性能。非晶氧化镓层与收集电极之间形成了高势垒的肖特基接触，能够获得较低的暗电流；非晶氧化镓层中存在大量的氧空位，氧空位在吸收紫外光后电离并在电场下迁移，使得肖特基势垒降低，从而能产生较大的光电流增益并提供较高的响应度，因此，光电突触器件在弱光条件下即可实现突触性能，即具备较低的突触触发能耗。
本申请提供的光电突触器件在人工神经网络硬件中模拟生物突触行为的应用，能以较低能耗执行突触事件，能够实现较低能耗的神经计算任务。
本申请提供的光电突触器件在图像传感设备中进行图像处理的应用，由于光电突触器件具备较稳定的突触性能，较弱的噪声光对应的突触电流在曝光完之后会很快恢复到暗态对应的突触电流水平，而较强的有用的信号光对应的突触电流在曝光完之后能够保持着高于暗态对应的突触电流水平，能有效实现抑噪。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种光电突触器件的电路连接示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种光电突触元器件在第一视角的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的第二种光电突触元器件在第一视角的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的第一种光电突触元器件在第二视角的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种开关元器件的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的光电突触器件的局部结构示意图；
图7为本申请实施例1提供的光电突触元器件在读取电压为10V，脉宽为20s，光功率密度为150μW/cm2的单个254nm脉冲光激励下的持续光电导测试图；
图8为本申请实施例1提供的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，光功率密度分别为1μW/cm2、5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2的单个254nm脉冲光激励下的突触电流测试图；
图9为本申请实施例1提供的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为5s，光功率密度分别为1、5、10和50μW/cm2的单个254nm脉冲光激励下的突触电流测试图；
图10为本申请实施例1提供的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，脉冲间距为1s，光功率密度分别为1、5、10和50μW/cm2的10个连续254nm脉冲光激励下的突触电流测试图；
图11为本申请实施例1提供的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，脉冲间距为1s，光功率密度为50μW/cm2的2个连续254nm脉冲光激励下的双脉冲易化状态测试图；
图12为本申请实施例1提供的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，脉冲间距分别为1、5和10s，光功率密度分别为1、5、10和50μW/cm2的2个连续254nm脉冲光激励下的双脉冲易化指数统计图；
图13为本申请实施例1提供的光电突触元器件应用于视觉传感设备时不同光强信号下对应的对比度随信号处理时间的变化趋势图。
图标：100-光电突触器件；10-光电突触元器件；11-基片；12-非晶氧化镓层；13-收集电极；131-第一电极；132-第二电极；20-开关元器件；21-基材层；22-栅电极；23-绝缘介质层；24-沟道层；251-漏电极；252-源电极；30-行线；40-列线；A-第一预设方向；B-第二预设方向。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，本申请中的“和/或”，如“特征1和/或特征2”，均是指可以单独地为“特征1”、单独地为“特征2”、“特征1”加“特征2”，该三种情况。
另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”、“多行”和“多列”等中的“多”的含义均包括数量为2以及数量超出2；“数值a~数值b”的范围包括两端值“a”和“b”，“数值a~数值b+计量单位”中的“计量单位”代表“数值a”和“数值b”二者的“计量单位”。
下面对本申请实施例的光电突触器件100及其应用进行具体说明。
在光电突触中，低能耗需要材料具有低的暗电流，同时需要材料具有对弱光的明显响应。在目前的光电突触中，光敏材料主要包括IGZO、ZnO、钙钛矿材料和有机材料等，触发一次突触事件的能耗通常为数百到数千皮焦耳（pJ），最低也仅能达到约10 pJ。
发明人研究发现，与目前的光敏材料相比，非晶氧化镓具有更大的带隙（4.9 eV），这有利于降低暗电流。同时，在特定条件下，非晶氧化镓还具有较高的光响应度和灵敏度。因此，使用非晶氧化镓材料作为光敏材料，利用非晶氧化镓所敏感的紫外光作为激发光源，在制备光电突触时具有进一步降低突触能耗的巨大潜力。
请参阅图1~4，第一方面，本申请实施例提供一种光电突触器件100，包括：多个电性连接的光电突触元器件10，每个光电突触元器件10包括层叠设置的基片11、非晶氧化镓层12以及收集电极13，非晶氧化镓层12与收集电极13相邻设置，非晶氧化镓层12的氧空位可在0~0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得到。
作为一种示例，在光电突触器件100中，多个光电突触元器件10共用一个基片11。
由于非晶氧化镓层12中存在大量的氧空位，非晶氧化镓层12在电离时会发生氧空位的迁移且具有较高的去离化势垒，使得光电突触器件100具备较稳定的突触性能。
由于非晶氧化镓具有宽带隙，且非晶氧化镓层12与收集电极13之间形成了高势垒的肖特基接触，从而能够获得较低的暗电流。非晶氧化镓层12中存在的大量的氧空位在吸收紫外光后电离并在电场下迁移，使得肖特基势垒降低，从而能产生较大的光电流增益并提供较高的响应度。因此，光电突触器件100在弱光条件下即可实现突触性能，即具备较低的突触触发能耗。
本申请提供的光电突触器件100中，光电突触元器件10具备较低的突触触发能耗。在光电突触元器件10的有源层长度为5微米且宽度为5微米的标准下，以特定条件进行脉冲光激励，触发一次突触事件的能耗能够降低至仅为136fJ（飞焦耳），将光电突触器件100应用于人工神经网络硬件中模拟生物突触行为，能以较低能耗执行突触事件，能够实现较低能耗的神经计算任务。
本申请提供的光电突触器件100中，光电突触元器件10具备较稳定的突触性能，较弱的噪声光对应的突触电流在曝光完之后会很快恢复到暗态对应的突触电流水平，而较强的有用的信号光对应的突触电流在曝光完之后能够保持着高于暗态对应的突触电流水平，能有效实现抑噪。
需要说明的是，在本申请中，非晶氧化镓层12中氧空位浓度可在特定的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，是用于限定非晶氧化镓层12中的氧空位浓度。因此，在本申请中，非晶氧化镓层12不限于在特定的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，其可以采用本领域公知的方式生长得到，只要能够得到同样的氧空位浓度即可。
作为一种示例，非晶氧化镓层12可在0~0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得到，其中，氧流量例如但不限于为0sccm、0.05sccm、0.1sccm、0.15sccm和0.2sccm中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
考虑到在氧流量浓度越低时沉积得到的非晶氧化镓层12中的氧空位越多，使得器件的响应度更高，从而使得器件的能耗更低。
作为一种示例，非晶氧化镓层12在氧流量为0 sccm的条件下制备得到。
需要说明的是，本申请对光电突触元器件10中的基片11、非晶氧化镓层12以及收集电极13的设置方式不作特别限制，可以按照本领域公知的半导体器件的设置方式进行。
关于光电突触元器件10中各结构的排列方式的选择：
在第一种示例中，如图2所示，基片11、非晶氧化镓层12以及收集电极13依次层叠设置。
在第二种示例中，如图3所示，基片11、收集电极13以及非晶氧化镓层12依次层叠设置。
关于基片11，在一些可选的实施方案中，基片11可选为刚性材料或者柔性材料。其中，刚性材料包括硅材料、蓝宝石和石英玻璃中的任一种或者多种；柔性材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）和柔性玻璃中的任一种或者多种。
发明人研究发现，基片11为有机材料材质的柔性基片11时，存在对环境中的气体吸附的情况，且在后续制备工艺中存在由于热效应引起的形变，可能会对元器件整体性能产生一定的影响。
为了有效改善基片11的上述问题，可选地，基片11的表面覆盖有包覆层，该包覆层材质例如为氧化铝。
关于非晶氧化镓层12，在一些可选的实施方案中，非晶氧化镓层12的厚度为0.06~0.2μm，例如但不限于为0.06μm、0.08μm、0.1μm、0.12μm、0.14μm、0.16μm、0.18μm和0.2μm中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
关于收集电极13，其具有间隔分布的第一电极131和第二电极132，该第一电极131和第二电极132可选地为环形电极、叉指电极、片状电极或者其他可实现的形状。
作为一种示例，如图4所示，该第一电极131和第二电极132为叉指电极。第一电极131的叉指和第二电极132的叉指沿预设方向交替间隔设置。第一电极131的叉指和第二电极132的叉指在该预设方向上的宽度以及叉指之间的间距不限，只要使得第一电极131和第二电极132之间不产生短路即可，其可选地为5~10μm，或5~7μm，例如为5μm。
在一些可选的实施方案中，收集电极13为高功函数电极，收集电极13包括高功函数的电极材料。作为一种示例，高功函数的电极材料的功函数≥4.5eV，该高功函数的电极材料例如为ITO、Au、Pt、Pd和MXene中的一种。
进一步地，收集电极13的厚度为0.01~0.3μm，例如但不限于为0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm和0.3μm中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
以图2所示的光电突触元器件10为例，该光电突触元器件10的一种示例性的制备方法如下：
基片11预处理：以玻璃片为例，将玻璃片依次在丙酮、酒精和去离子水中各超声5分钟，并用氮气吹干。其它基片11相应地用各自的预处理方式得到干净、平整的基片11即可。
在预处理后的基片11表面制备非晶氧化镓：通过真空沉积方式或常压制备方式制备非晶氧化镓。其中，真空沉积方式包括磁控溅射、原子层沉积、电子束蒸积、激光脉冲沉积、热蒸发和化学气相沉积方式，其沉积温度为-20~450℃；常压制备方式包括常压化学气相淀积、旋涂、滴涂、喷涂、打印和印刷方式。
在制备过程中，通过改变生长气氛、温度或前驱体成分等方法在非晶氧化镓中引入特定浓度的氧空位。以磁控溅射非晶氧化镓为例，一方面可以通过纯氩的溅射气氛获得大量的氧空位；另一方面也可以通过将氧化镓与其它金属（如铬）共溅射的方法获得更多的氧空位。
在非晶氧化镓表面制备收集电极13：采用紫外曝光、显影和定影技术在非晶氧化镓之上光刻出收集电极13的结构，再放入真空腔内沉积电极材料，然后去除剩余的光刻胶及附着在光刻胶上的电极材料，保留光刻图形区域内的电极材料，形成收集电极13，即第一电极131和第二电极132。或者，先在真空腔内沉积电极材料，然后采用紫外曝光、显影和定影技术在电极上光刻出收集电极13的结构，再用电极刻蚀液进行刻蚀，最后去除光刻胶完成电极的图形化。或者，采用掩膜、丝网印刷或喷墨打印等手段，直接在非晶氧化镓层12上制作收集电极13。
考虑到在光电突触器件100中仅设置多个光电突触元器件10时，阵列会存在串扰现象。在一些示例性的实施方案中，光电突触器件100还包括多个开关元器件20，在电性连接方向上，任意相邻两个光电突触元器件10电性连接有开关元器件20，通过个开关元器件20将电性连接方向上任意相邻两个光电突触元器件10隔开，能够有效改善阵列中的串扰现象。
需要说明的是，在本申请中，电性连接方向是指在各个串联电路中各自的电路传输方向。例如，第一个光电突触元器件10和第二个光电突触元器件10串联时，该第一个光电突触元器件10和第二个光电突触元器件10之间设置有开关元器件20；第一个光电突触元器件10和第二个光电突触元器件10并联时，该第一个光电突触元器件10和第二个光电突触元器件10之间无需设置开关元器件20。
可以理解的是，在本申请中，开关元器件20只要具有开关功能即可，其可以选择本领域公知的开关结构，可选为二极管或者晶体管，例如场效应二极管或者MOS晶体管。
在一些示例性的实施方案中，开关元器件20为场效应二极管。如图5所示，场效应二极管包括基材层21、栅电极22、绝缘介质层23、沟道层24、源电极252和漏电极251，栅电极22设置于基材层21表面，绝缘介质层23设置于栅电极22表面，沟道层24设置于绝缘介质层23表面，源电极252和漏电极251均设置于沟道层24表面。
作为一种示例，光电突触元器件10的基片11和开关元器件20的基材层21为相同的结构层，即，在光电突触器件100中，多个光电突触元器件10和多个开关元器件20共用一个基材结构。
以图5所示的开关元器件20为例，该开关元器件20的一种示例性的制备方法如下：
基材层21预处理，其处理方式与的光电突触元器件10制备时的基片11预处理方式一致。
在预处理后的基材层21表面制备栅电极22并图形化：将基材层21放入真空腔内沉积电极材料，采用紫外曝光、显影、定影、刻蚀和溶脱技术光刻出栅电极22的形状。
在栅电极22表面制备绝缘介质层23：利用溅射或原子层沉积在栅电极22表面沉积绝缘介质层23。
在绝缘介质层23表面制备沟道层24：利用磁控溅射、脉冲激光沉积或旋涂的方式在绝缘介质层23表面制备沟道层24。
绝缘介质层23和沟道层24的图形化：采用光刻加刻蚀的方法分别对沟道层24和绝缘介质层23进行图形化。
在沟道层24表面制备源电极252和漏电极251并图形化：采用紫外曝光、显影、定影技术在沟道层24表面光刻出源电极252和漏电极251的结构，再放入真空腔内沉积电极材料，然后去除剩余的光刻胶及附着在光刻胶上的电极材料，保留光刻图形区域内的电极材料，形成源电极252和漏电极251。或者，先在真空腔内沉积电极材料，然后采用紫外曝光、显影、定影技术在电极上光刻出源电极252和漏电极251的结构，再用电极刻蚀液进行刻蚀，最后去除光刻胶完成电极的图形化。或者，也可以采用掩膜、丝网印刷或喷墨打印等手段，直接制作源电极252和漏电极251。
可以理解的是，在本申请中，光电突触元器件10和开关元器件20的排布方式不限，只要能够满足电性连接要求即可。
在一些示例性的实施方案中，多个光电突触元器件10呈阵列分布；在第一预设方向A上，多个光电突触元器件10分为多列；在第二预设方向B上，多个光电突触元器件10分为多行。每行光电突触元器件10沿第一预设方向A分布，每列光电突触元器件10沿第二预设方向B分布。
可选地，光电突触器件100具有多根行线30和多根列线40，每根行线30沿第一预设方向A延伸，每根列线40沿第二预设方向B延伸。每个开关元器件20的两端均连接于同一根行线30，每个光电突触元器件10的一端连接于一根行线30且另一端连接于一根列线40。
进一步地，多个开关元器件20呈阵列分布，每行开关元器件20沿第一预设方向A间隔分布并连接于同一根行线30，每列开关元器件20沿第二预设方向B间隔分布。在第一预设方向A上，多列光电突触元器件10和多列开关元器件20交替分布；在第二预设方向B上，多行光电突触元器件10和多行开关元器件20交替分布。每个开关元器件20的正极和负极分别与其两侧的相邻两列中处于同一行的两个光电突触元器件10的正极相连。
请参阅图6，作为一种示例，在开关元器件20设置为场效应二极管的实施方案中，光电突触元器件10中的第一电极131与场效应二极管的漏电极251电性连接在行线30上实现电性连接，光电突触元器件10中的第二电极132直接连接在列线40上实现电性连接。
光电突触元器件10和开关元器件20的上述排布方式，在制备光电突触器件100时，能够按照如图1所示的方式将多个光电突触元器件10和开关元器件20形成于同一基材结构，然后形成行线30和列线40实现电路连接。其中，行线30与列线40之间通过制备绝缘层（例如氧化铝）进行绝缘分离。
第二方面，本申请实施例提供一种如第一方面实施例提供的光电突触器件100用作模拟生物突触行为的器件在人工神经网络硬件中的应用。
本申请提供的光电突触器件100，由于光电突触元器件10具备较稳定的突触性能，能够较好地模拟生物突触行为，生物突触行为包括神经突触短程塑性行为、神经突触长程塑性行为以及双脉冲易化行为。同时，由于光电突触元器件10能以较低能耗执行突触事件，能够实现较低能耗的神经计算任务。
可以理解的是，在本申请中，激发光源和读取电压可以按照本领域公知的要求进行选择。
在一些可选的实施方案中，采用波长为200~280nm的脉冲光源作为输入光源，例如采用波长为254nm的脉冲光源作为输入光源。该脉冲光源与非晶氧化镓材料的带隙的匹配性好，能够较好地实现激发光电突触元器件10模拟生物突触行为。同时，该波长要求的输入光源提供方便，且能够波长过大而导致激发能量不足。
考虑到施加在收集电极13的第一电极131和第二电极132上的读取电压越小时能耗越小，在一些可选的实施方案中，在收集电极13上施加的读取电压≤0.2V。
进一步地，考虑到读取电压越小时响应度也会变小，而较高的响应度有利于在突触测试条件下保证突触性能更好地实现。作为一种示例，在收集电极13上施加的读取电压为0.2V，其既能够以降低能耗，也能够保证较高的响应度。
考虑到在使用光电突触元器件10模拟生物突触行为时，不同的生物突触行为需要在不同的激发条件，为了较好地满足模拟需求，需要针对不同的生物突触行为选择合适的激发条件。
关于神经突触短程塑性行为，在一些可选的实施方案中，在第一预设条件下实现神经突触短程塑性行为。
第一预设条件包括：脉宽为100ms，光功率密度为1μW/cm2。
关于神经突触长程塑性行为，在一些可选的实施方案中，在第二预设条件下实现神经突触长程塑性行为。
作为第一种示例，第二预设条件包括：脉宽为100ms，光功率密度为5~50μW/cm2。可选地，光功率密度为5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
作为第二种示例，第二预设条件包括：脉宽为5s，光功率密度为1~50μW/cm2。可选地，光功率密度为5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
作为第三种示例，第二预设条件包括：脉宽为100ms，脉冲数量为多个，脉冲间距为1s，光功率密度为1~50μW/cm2。可选的，脉冲数量为10个，光功率密度为5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
在一些示例性的实施方案中，在使用光电突触器件100模拟生物突触行为时，通过增加脉宽和/或增加脉冲数量，将神经突触短程塑性行为转变为神经突触长程塑性行为。
关于双脉冲易化行为，在一些可选的实施方案中，在第三预设条件下实现双脉冲易化行为。
第三预设条件包括：脉宽为100ms，脉冲间距为1~10s，光功率密度为1~50μW/cm2。可选地，脉冲间距为1s、5 s和10 s中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值，光功率密度为5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2中的任意一者点值或者任意两者之间的范围值。
在一些示例性的实施方案中，在使用光电突触器件100模拟生物突触行为时，通过增加脉冲间距以减小双脉冲易化指数。
第三方面，本申请实施例提供一种如第一方面实施例提供的光电突触器件100用作图像处理的器件在图像传感设备中进行图像处理的应用。该图像传感设备例如为视觉传感设备或者图像识别设备。
本申请提供的光电突触器件100，由于光电突触元器件10具备较稳定的突触性能，较弱的噪声光对应的突触电流在曝光完之后会很快恢复到暗态对应的突触电流水平，而较强的有用的信号光对应的突触电流在曝光完之后能够保持着高于暗态对应的突触电流水平，能有效实现抑噪，同时能够实现对比度增强的图像预处理。将经过上述预处理之后的图像作为图像识别的输入层，可以大大地提高图像识别的效率。
作为一种示例，当目标噪声的光功率密度为1μW/cm2时，选择具有如下光电突触性能的光电突触元器件10：1μW/cm2的光源对应的突触电流在曝光完之后会很快恢复到暗态对应的突触电流水平，而强度高于1μW/cm2的光源对应的突触电流在曝光完之后能够保持着高于暗态对应的突触电流水平。光电突触元器件10的光电突触性能可以通过调节光电突触元器件10的面积和非晶氧化镓层12的氧空位浓度等实现调节。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种光电突触器件，包括多个电性连接的光电突触元器件。该光电突触元器件的制备方法包括：
S1.将一片石英衬底依次采用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，并用干燥的高纯氮气吹干。
S2.将吹干的石英玻璃基片放入磁控溅射腔内，启动真空泵将真空腔抽至本底真空后，通入10sccm氩气起辉，在不通入氧气的情况下使用氧化镓陶瓷靶沉积90nm的富含氧空位的非晶氧化镓薄膜。
S3.将已制备了非晶氧化镓的石英玻璃基片放入用于溅射金属电极的磁控溅射腔内，在纯氩气氛下溅射厚度为50nm的Au。随后采用涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀和溶脱一系列工艺完成Au电极的图形化形成收集电极，得到光电突触元器件。
该光电突触元器件的结构如图2和图4所示。其中，收集电极结构中前端叉指结构沿预设方向交替间隔分布，叉指结构的参数如下：在预设方向上，每个叉指的线宽为5um，叉指之间的间距5um；在垂直于预设方向的方向上，每个叉指的长度为100um；叉指共10对。
实施例2
一种光电突触器件，其与实施例1的不同之处仅在于：在光电突触元器件的制备方法中，采用材质为PEN的基片；在吹干基片后，将基片在原子层沉积系统内制备一层Al2O3包覆层。
实施例3
一种光电突触器件，其与实施例1的不同之处仅在于：在光电突触元器件的制备方法中，采用脉冲激光沉积的方法制备非晶氧化镓。其中，沉积的气氛不变，靶材是纯度为99.999%的Ga2O3陶瓷靶，激光器是248nm的KrF准分子激光器，脉冲能量为300mJ，脉冲频率为10Hz。
实施例4
一种光电突触器件，其与实施例1的不同之处仅在于：在光电突触元器件的制备方法中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法制备非晶氧化镓。其中，以三甲基镓作为镓源，并以二氧化碳作为氧化剂，通过调控三甲基镓和二氧化碳的相对含量，获得富含氧空位的非晶氧化镓。
实施例5
一种光电突触器件的制备方法，用于形成如图1所示的电路连接方式和排列方式的光电突触阵列，该制备方法包括：
S1.将一片石英衬底依次采用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，并用干燥的高纯氮气吹干。
S2.将吹干的石英玻璃基片放入磁控溅射腔内，启动真空泵将真空腔抽至本底真空后，通入10sccm氩气起辉，使用Cr靶沉积50nm的Cr栅电极。随后采用涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀和溶脱一系列工艺完成Cr栅电极的图形化。
接着用ALD的方法在200℃温度条件下制备厚度为50nm的氧化铝绝缘介质层，铝源为三甲基铝，氧源为水。接着用磁控溅射的方法在100℃温度条件下制备厚度为40nm的IGZO沟道层。随后分别用光刻和刻蚀的方法对氧化铝绝缘介质层和IGZO沟道层进行图形化。其中，氧化铝绝缘介质层的刻蚀液为NaOH，IGZO沟道层的刻蚀液为盐酸。
接着用光刻的方法制备出源电极和漏电极的形状，然后在磁控溅射腔中连续沉积厚度为40nm的Ti和厚度为20nm的Au，然后用剥离工艺实现源漏电极的图形化，得到开关元器件。
S3.使用氧化镓陶瓷靶在纯Ar气氛下溅射沉积厚度为90nm的富含氧空位的非晶氧化镓薄膜，并用光刻和刻蚀的方法进行图形化，刻蚀液为碱性显影液。接着在纯氩气氛下溅射厚度为50nm的Au。随后采用涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀和溶脱一系列工艺完成Au电极的图形化形成收集电极，得到光电突触元器件。
S4.采用ALD的方法在200℃温度条件下制备厚度为100nm的氧化铝绝缘介质层，铝源为三甲基铝，氧源为水。同样用光刻和刻蚀的方法图形化，做出用于连接收集电极的第一电极、漏电极和源电极的通孔。随后溅射Cr并图形化，完成行线的布置。
S5.采用ALD的方法在200℃温度条件下制备厚度为100nm的氧化铝绝缘介质层，铝源为三甲基铝，氧源为水。同样用光刻和刻蚀的方法图形化，做出用于连接收集电极的第二电极的通孔。随后溅射Cr并图形化，完成列线的布置。
试验例
（1）将实施例1制得的光电突触元器件在读取电压为10V，脉宽为20s，光功率密度为150μW/cm2的单个254nm脉冲光激励下的持续光电导进行测试，该测试结果如图7所示。
根据图7可以看出，实施例1制得的光电突触元器件在光照下，光电流能够上升到mA级别，这对应着高的响应度。在撤掉脉冲光之后，即使经过了1000s，电流还维持在远高于暗电流的水平。可见，实施例1制得的光电突触元器件具有高的响应度和长时间的持续光电导，能够为突触测试条件下稳定的突触性能提供保障。
（2）将实施例1制得的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，光功率密度分别为1μW/cm2、5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2的单个254nm脉冲光激励下的突触电流进行测试，该测试结果如图8所示。
根据图8可以看出，在读取电压为0.2V、脉宽为100ms的单个254nm脉冲光激励下，当光功率密度为1μW/cm2时，突触电流在脉冲结束后很快恢复到接近暗态的水平，说明光电突触元器件在该条件下能够较好地实现神经突触短程塑性行为。
根据图8还可以看出，在读取电压为0.2V、脉宽为100ms的单个254nm脉冲光激励下，光功率密度分别为5μW/cm2、10μW/cm2和50μW/cm2时，突触电流在脉冲结束后还维持在明显高于暗态电流的水平，说明光电突触元器件在该条件下能够较好地实现神经突触长程塑性行为。
在读取电压为0.2V、脉宽为100ms、光功率密度分别为5μW/cm2、的单个254nm脉冲光激励下，对触发一次突触事件的能耗进行计算。其中，以器件的有源层长度为5微米且宽度为5微米作为能耗对比的标准，光能耗以公式1进行计算，电能耗以公式2进行计算，总能耗为光能耗与电能耗之和。
公式1：E l =PS∆t。
公式2：Ee≈ V read I peak ∆t。
其中，P是光功率密度，S是器件的有效照光面积，∆t是脉冲宽度，V read其中是读取电压，I peak是光激励下的峰值电流。
公式2中，约等于是指在获取时间积分结果时，在时间积分曲线上取与时间积分曲线接近的矩形区域，通过获取矩形区域的面积作为时间积分结果。
计算得到的电能耗为11fJ，光能耗为125fJ，总能耗为136fJ。可见，光电突触元器件在该激励条件下的能耗基本达到了与生物突触可比拟的低能耗水平。
（3）将实施例1制得的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为5s，光功率密度分别为1、5、10和50μW/cm2的单个254nm脉冲光激励下的突触电流进行测试，该测试结果如图9所示。
根据图9可以看出，光电突触元器件在上述条件下均能够较好地实现神经突触长程塑性行为。
此外，根据光功率密度分别为1μW/cm2的激励结果还可以看出，通过增加脉宽，能够有效地将短程突触塑性转变为长程突触塑性。
（4）将实施例1制得的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，脉冲间距为1s，光功率密度分别为1、5、10和50μW/cm2的10个连续254nm脉冲光激励下的突触电流进行测试，该测试结果如图10所示。
根据图10可以看出，通过增加脉冲数量，突触电流明显增加，光电突触元器件在上述条件下均能够较好地实现神经突触长程塑性行为。
此外，根据光功率密度分别为1μW/cm2的激励结果还可以看出，通过增加脉冲数量，能够有效地将短程突触塑性转变为长程突触塑性。
（5）将实施例1制得的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，脉冲间距为1s，光功率密度分别为50μW/cm2的2个连续254nm脉冲光激励下的双脉冲易化状态进行测试，其测试结果如图11所示。其中，PPF为双脉冲易化指数，PPF=A2/A1。
将实施例1制得的光电突触元器件在读取电压为0.2V，脉宽为100ms，脉冲间距分别为1、5和10s，光功率密度分别为1、5、10和50μW/cm2的2个连续254nm脉冲光激励下的双脉冲易化状态进行测试，然后将双脉冲易化指数进行统计，其统计结果如图12所示。
根据图11和图12可以看出，双脉冲易化指数随脉冲间距的增加而减小，光电突触元器件在上述条件下均能够较好地实现双脉冲易化行为。
（6）将实施例1制得的光电突触元器件应用于视觉传感设备，对不同光强信号下对应的对比度随信号处理时间的变化趋势进行统计，该统计趋势结果如图13所示。
将对应1μW/cm2的信号作为噪声信号，而将对应5、和10μW/cm2的信号作为有用的图像信号，其中，每一次对比度的计算都按照暗态对应的电流为“0”且光功率密度为10μW/cm2对应的电流为“1”进行归一化处理。
对于常见的CCD相机，由于光电流不随时间变化而变化，因此对比度会保持不变，噪声信号的对比度也不会下降。
根据图13可以看出，光功率密度为1μW/cm2噪声信号的对比度随着处理时间的增加而持续降低，在经过40s的处理后，对比度从原始的0.28变为0.06，即噪声信号的对比度降低了4倍多。而光功率密度更高的其他有用图像信号的对比度在整个时间范围内仅在很小的范围内波动。可见，光电突触元器件能够较好地实现图像的噪声抑制预处理。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种光电突触器件，其特征在于，包括多个电性连接的光电突触元器件，每个所述光电突触元器件包括层叠设置的基片、非晶氧化镓层以及收集电极，所述非晶氧化镓层与所述收集电极相邻设置，所述非晶氧化镓层中氧空位浓度的控制通过在0~0.2sccm的氧流量条件下磁控溅射沉积得以实现；
所述光电突触器件还包括多个开关元器件，在电性连接方向上，任意相邻两个所述光电突触元器件电性连接有所述开关元器件；
多个所述光电突触元器件呈阵列分布，每行所述光电突触元器件沿第一预设方向分布，每列所述光电突触元器件沿第二预设方向分布；
所述光电突触器件具有多根行线和多根列线，每根所述行线沿所述第一预设方向延伸，每根所述列线沿所述第二预设方向延伸；
每个所述开关元器件的两端均连接于同一根所述行线，每个所述光电突触元器件的一端连接于一根所述行线且另一端连接于一根所述列线；
所述多个开关元器件呈阵列分布，每行所述开关元器件沿所述第一预设方向间隔分布并连接于同一根所述行线，每列所述开关元器件沿所述第二预设方向间隔分布；
在所述第一预设方向上，多列所述光电突触元器件和多列所述开关元器件交替分布；在所述第二预设方向上，多行所述光电突触元器件和多行所述开关元器件交替分布；
每个所述开关元器件的正极和负极分别与其两侧的相邻两列中处于同一行的两个所述光电突触元器件的正极相连。
2.一种如权利要求1所述的光电突触器件用作模拟生物突触行为的器件在人工神经网络硬件中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，
采用波长为200~280nm的脉冲光源作为输入光源；
和/或，在所述收集电极上施加的读取电压≤0.2V。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，采用波长为254nm的脉冲光源作为输入光源。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，在所述收集电极上施加的读取电压为0.2V。
6.根据权利要求2~5中任一项所述的应用，其特征在于，在第一预设条件下实现神经突触短程塑性行为；
所述第一预设条件包括：脉宽为100ms，光功率密度为1μW/cm2。
7.根据权利要求2~5中任一项所述的应用，其特征在于，在第二预设条件下实现神经突触长程塑性行为；
所述第二预设条件包括：脉宽为100ms，光功率密度为5~50μW/cm2；
或者，所述第二预设条件包括：脉宽为5s，光功率密度为1~50μW/cm2；
或者，所述第二预设条件包括：脉宽为100ms，脉冲数量为多个，脉冲间距为1s，光功率密度为1~50μW/cm2。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述第二预设条件包括：脉宽为100ms，光功率密度为5μW/cm2。
9.根据权利要求2~5中任一项所述的应用，其特征在于，在第三预设条件下实现双脉冲易化行为；
所述第三预设条件包括：脉宽为100ms，脉冲间距为1~10s，光功率密度为1~50μW/cm2。
10.一种如权利要求1所述的光电突触器件用作图像处理的器件在图像传感设备中的应用。
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