CN113851583A - 一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法 - Google Patents

一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，所述光电忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的氧化物层，其中氧化物层包括富氧层和缺氧层，缺氧层与顶电极层相邻，富氧层与底电极层相邻，所述方法为通过顶电极层输入光信号，所述方法包括所述光电忆阻器通过光信号获得突触的短程增强模式和短程抑制模式；在所述突触的短程增强模式下，所述光信号为可见光或红外光；在所述突触的短程抑制模式下，所述光信号为紫外光。该方法通过改变照射顶电极层的光信号能够同时实现突触短程增强和抑制。

Description

一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法
技术领域
本发明涉及人工突触器件制备领域，具体涉及一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法。
背景技术
忆阻器(memristor)是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。忆阻器具有简单的两端结构，并且可以实现数据的存储和处理于一体，因此成为构建非冯诺依曼架构的计算系统的理想器件。忆阻器在1971年由蔡少棠教授提出，2008年，惠普实验室制备出忆阻器实物。而后引起了人们的广泛研究，忆阻器得到飞速发展。忆阻器具有非线性电学特性，其阻态具有非易失性特点，因此可应用于大脑神经突触的模拟。神经突触之间的连接强度被称为突触可塑性，分为长程可塑性和短程可塑性，其中短时可塑性一般只能持续几秒钟或几分钟，代表了人类的短时记忆。短程可塑性对于人脑神经系统执行复杂的计算任务具有非常重要的意义。短程可塑性通常可分为两类：一种是短程增强，另一种是短程抑制。
近几年，基于电控忆阻器的人工突触器件得到快速发展，但依然面临着稳定性差和功耗高的难题。相比电控忆阻型突触器件，光电忆阻型突触器件可以减小电信号刺激对器件稳定性影响，有利于降低器件的功耗，因此引起了众多研究人员的关注。然而，现有的光电忆阻型突触器件只能实现突触的短程增强。目前为止，光电忆阻器还无法利用光信号同时实现突触的短程增强和短程抑制。
公开号为CN112436092A的中国专利公开了一种双端光电人工突触器件及制备方法和应用，其特点是上、下电极之间设置有机铁电聚合物和有机半导体为功能层，组成具有薄膜结构的光控神经突触器件；制备方法包括：在衬底上依次蒸镀下电极、旋涂有机铁电聚合物、蒸镀有机半导体和上电极，制得具有薄膜结构的光控神经突触器件，该器件应用于构建人工神经网络系统，能够模拟生物神经突触的功能。
公开号为CN109037388A的中国专利公开了一种光电忆阻型突触器件，所述器件包括作为栅极的硅基底，从下至上依次设置在所述硅基底上的氧化物层、量子点层、聚合物层、半导体层以及金属薄膜顶电极，所述量子点层的材料为CsPbCl3、CsPbBr3和CsPbI3中的一种或多种，由于CsPbX3量子点具有光响应性，通过简单的调节光照波长来改变电子器件中的光生电流数值，进而可模拟人脑中兴奋性突触后电流增强效应，结合反向电场刺激可实现对抑制性突触后电流减弱效应。
上述两个专利公开的突触器件可以在光信号的作用下实现突触的短程增强功能，然而却无法利用光信号同时实现突触的短程增强和短程抑制，限制了光电忆阻型突触器件的应用领域。
发明内容
本发明公开了一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，首次仅依靠光照在同一器件中实现突触短程增强和抑制。
一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，所述光电忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的氧化物层，所述方法为通过顶电极层输入光信号，所述方法包括所述光电忆阻器通过光信号获得突触的短程增强模式和短程抑制模式；
在所述突触的短程增强模式下，所述光信号为可见光或红外光；
在所述突触的短程抑制模式下，所述光信号为紫外光。
本发明仅仅通过改变施加光信号的波长，就可以对突触的短程可塑性进行调节，其中包括利用可见光和近红外光实现突触短程增强功能，利用紫外光实现突触短程抑制功能。
所述氧化物层包括富氧层和缺氧层，其中缺氧层与顶电极层相邻，富氧层与底电极层相邻。富氧层氧化物是在氧气和氩气的混合气氛下生长，材料内部的氧空位缺陷较少，具有很好的绝缘性，起到降低器件导电性的作用；缺氧层氧化物是在纯氩气中生长，产生大量的氧空位缺陷，具有良好的导电性。两者组合在一起，使得器件在不同光信号刺激下同时实现突触短程增强和抑制功能。当可见光作用在器件上时，缺氧层氧化物半导体发生以中性氧空位电离为主的带间激发，产生的光生电子激发到导带，成为自由电子，随着光照时间的延长，器件电流持续增大，器件表现出短程增强功能；当紫外光照射时，富氧层和缺氧层氧化物半导体以本征激发为主，产生大量自由电子，器件电流突然增大，然而随着光照时间的延长，大量的自由电子会增大缺氧层中的电离氧空位的复合几率，导致自由电子减少，器件电流又逐渐降低，器件表现出短程抑制功能。
所述光电忆阻器还包括衬底，所述衬底位于底电极层下方。
所述衬底为绝缘衬底、半导体衬底或导电衬底，其中，所述绝缘衬底为热氧化硅片、玻璃、陶瓷或塑料；所述半导体衬底包括硅、氧化物半导体或氮化物半导体；所述导电衬底包括金属或石墨。
考虑到与现有CMOS工艺兼容性以及在集成电子领域的应用，进一步的，所述的衬底为硅基衬底，进一步的，所述的衬底为热氧化硅片
所述的底电极层、顶电极层以及氧化物层均通过镀膜工艺制备，所述镀膜工艺包括热蒸发、磁控溅射、溶胶凝胶、化学气相沉积或涂敷法。根据电极层和氧化物层的材质选择合适的镀膜方法。
所述的顶电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物和导电碳材料中的一种或多种。
进一步的，所述的顶电极层的材料为金、铂、钨、铜、银、铝、钛、镍、锌、锡、锰和铁等中的一种或多种。
所述的顶电极层的厚度为1～200nm。
所述的氧化物层的材料为氧化锌、氧化锆、氧化铪、氧化硅、氧化钽、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化铟镓锌和氧化铟镓镉中的一种或多种。
所述的氧化物层的厚度为1～500nm。
所述缺氧层的厚度为25-40nm，富氧层的厚度为28-35nm。一定厚度的缺氧层和富氧层之间可以形成一同质结，并消除缺氧层和顶电极之间的肖特基势垒，使得富氧层和底电极之间形成肖特基势垒，有利于同时实现突触的短程增强和短程抑制可塑性。
所述的底电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物和导电碳材料中的一种或多种。进一步的，所述的底电极层的材料为金属，如金、铂、钨、铜、银、铝、钛、镍、锌、锡、锰和铁等中的一种或多种。
所述的底电极层的厚度为1～500nm。
在所述的短程增强模式下，所述的光信号为蓝光，所述蓝光的波长为400～480nm。
在所述的短程抑制模式下，所述的光信号为紫外光，所述紫外光的波长为200～400nm。
通过对顶电极层输入不同波长的光，同时实现了突触短程增强和抑制：实现突触短程增强的光信号是可见光和近红外光；实现突触短程抑制的光信号是紫外光。
进一步优选的，所述的顶电极层的材料为金，所述的氧化物层的材料为氧化铟镓锌，所述底电极层的材料为铂，所述的顶电极层的厚度为8-15nm，所述的氧化物层的厚度为50-55nm，所述的底电极层的厚度为170-178nm，采用可见光实现突触短程增强，采用紫外光实现突触短程抑制。当紫外光作用在器件时，富氧层和缺氧层氧化物发生本征激发，产生大量自由电子，器件电流突然增大；随着光照时间的延长，自由电子会逐渐被缺氧层中的氧空位缺陷俘获，器件表现出短程抑制功能。当可见光作用在器件上时，缺氧层中发生以氧空位缺陷电离为主的带间激发，器件表现出短程增强功能。
本发明提供的一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法的工作机制如下：
可见光的能量小于氧化铟镓锌(InGaZnO,IGZO)禁带宽度，因此，IGZO在可见光照射下无法产生本征激发，但是可以将内部的中性氧空位电离(由于缺氧层IGZO的氧空位浓度远大于富氧层IGZO，因此主要考虑缺氧层IGZO)，导致器件电流逐渐增大，可用于模拟突触的短程增强；器件在紫外光照射下，缺氧层和富氧层IGZO以本征激发为主，产生大量的自由电子，使得器件电流急剧上升，然而随着光照时间的增加，产生的大量自由电子会增大电离氧空位的复合几率，导致部分自由电子又会被电离氧空位缺陷所俘获，使得器件电流逐渐降低，用于模拟突触的短程抑制。我们实验证明单层缺氧层IGZO或单层富氧层IGZO制备的器件均不会表现出上述功能(前者具有良好的导电性，因此器件在光照下没有明显光电响应；后者内部氧空位缺陷较少，因此在可见光照射下的中性氧空位电离可以忽略)，因此缺氧层和富氧层组成的双层结构为光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制起到重要作用。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)光电忆阻型突触可利用光信号实现突触功能模拟，具有速度快和抗干扰能力强的特点，使其更具有实际应用价值。
(2)传统电控忆阻型突触，需要电信号来模拟突触功能，在此过程中会引起器件微观结构的变化和产生大量焦耳热，因此导致器件性能发生较大波动。本发明中的光电忆阻器所采用的光功率密度很低，不会引起微结构变化，而且工作过程中产生的焦耳热极少。因此，本发明提供的方法可提高器件可靠性和稳定性。
(3)现有报道的光电忆阻型人工突触，只能利用光信号实现突触的短程增强，而无法实现突触的短程抑制。而本发明提供的方法可以利用光信号同时实现突触的短程增强和抑制，有利于拓宽器件的应用领域。
(4)考虑到生物视觉系统中光信号引起的短程增强和短程抑制行为是必不可少的，因此，该忆阻型人工突触的调控方法和生物突触的工作模式有更高的相似性，使其在人工视觉领域中具有更广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中所采用的忆阻器结构示意图，其中，1-顶电极层，2-缺氧层，3-富氧层，4-底电极层，5-衬底；
图2为实施例1制备的忆阻器在直流模式下的电流-电压特性曲线，包括置位过程和复位过程；
图3为实施例1制备的光电忆阻器实现突触短程增强模式图，其中光信号采用了450nm的可见光，光功率密度为83μW/cm2；
图4为实施例1制备的光电忆阻器实现突触短程抑制模式图，其中光信号采用了350nm的紫外光，光功率密度为36μW/cm2；
图5为实施例1制备的光电忆阻器实现突触短程增强中短程增强指数与光脉冲时间间隔关系，采用了450nm的可见光，光功率密度为83μW/cm2；
图6为实施例1制备的光电忆阻器实现突触短程抑制中短程增强指数与光脉冲时间间隔关系，采用了350nm的可见光，光功率密度为36μW/cm2；
图7为实施例2制备的光电忆阻器实现突触短程增强中短程增强指数与光脉冲时间间隔关系，采用了550nm的可见光，光功率密度为83μW/cm2。
图8为实施例2制备的光电忆阻器实现突触短程抑制模式图，其中光信号采用了250nm的紫外光，光功率密度为36μW/cm2。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本发明忆阻器结构如图1所示，自下而上依次为衬底5、底电极层4、富氧层3、缺氧层2(将中间介质层分为缺氧层和富氧层)和顶电极层1。下述各实施例中光信号均通过顶电极层1输入。
实施例1
实施例1制备的光电忆阻器，包括衬底和底电极层、氧化物层以及顶电极层。所述衬底为热氧化硅片；底电极层为铂，其厚度为175nm；氧化物层为IGZO，其厚度为53nm，其中富氧层厚度为30nm，缺氧层厚度为23nm；顶电极层为金，其厚度为10nm。
本实施例的忆阻器的制备方法如下：
(1)利用电子束蒸发在衬底表面制备6nm厚的钛薄膜作为缓冲层，主要作用是增大铂薄膜与热氧化硅片的机械结合力，防止薄膜脱落。
上述衬底为热氧化硅片，即利用热氧化的方法在单晶硅片上形成一层二氧化硅层，然后以热氧化硅片作为制备本实施例的忆阻器的绝缘衬底。钛薄膜形成于热氧化硅片长有二氧化硅层的一面。
利用电子束蒸发在钛薄膜上制备175nm厚的铂薄膜作为底电极层。
(2)采用磁控溅射结合掩膜板的方法在底电极层上制备IGZO薄膜。
溅射参数如下：
以IGZO作为溅射靶材，其中富氧IGZO以高纯氩气和高纯氧气作为溅射气氛，缺氧IGZO是以高纯氩气反应气氛。衬底温度为室温，制备IGZO薄膜，溅射功率为40～100W，时间为1～120min。
(3)利用电子束蒸发结合掩膜板的方法在(2)中制备的IGZO薄膜上制作由金制成的顶电极层，顶电极金层厚度为10nm。
本实施例制备的忆阻器的结构示意图如图1所示，忆阻器从下至上依次包括衬底、底电极层、富氧层、缺氧层和顶电极层，光照通过顶电极输入。其中衬底为热氧化硅片；衬底和底电极层之间还包括由6nm厚的钛薄膜组成的缓冲层，缓冲层同时与底电极层和热氧化硅片的热氧化层接触；底电极层为175nm厚的铂薄膜；氧化物层包括富氧IGZO层和缺氧IGZO层，总厚度为53nm；顶电极层为金薄膜，厚度为10nm。
对本实施例制备的忆阻器进行电学测试，其在-2V到2V直流模式下的电流-电压特性曲线如图2所示，底电极接地，电压施加在顶电极，光照通过顶电极输入，电流-电压特性曲线图包含了置位过程和复位过程，可以看到器件在直流电压扫描下实现了电阻的转变。图3为本实施例制备忆阻器在450nm可见光下实现短程增强。图4为本实施例制备忆阻器在350nm紫外光下实现短程抑制。图5为本实施例制备忆阻器在450nm可见光下短程增强指数与脉冲间隔时间关系。图6为本实施例制备忆阻器在350nm紫外光下下短程抑制指数与脉冲间隔时间关系。
实施例2
该实施例中所用光电忆阻器制备工艺参数与实施例1相同，区别在于施加的光脉冲的波长不同。该实施例中采用550nm可见光下实现短程增强，采用250nm紫外光实现短程抑制。图7为本实施例制备忆阻器在550nm可见光下所实现的短程增强。图8为本实施例制备忆阻器在250nm紫外光下所实现的短程抑制。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述光电忆阻器包括底电极层、顶电极层以及位于两者之间的氧化物层，其中氧化物层包括富氧层和缺氧层，缺氧层与顶电极层相邻，富氧层与底电极层相邻，所述方法为通过顶电极层输入光信号，所述方法包括所述光电忆阻器通过光信号获得突触的短程增强模式和短程抑制模式；
在所述突触的短程增强模式下，所述光信号为可见光或红外光；
在所述突触的短程抑制模式下，所述光信号为紫外光。
2.根据权利要求1所述的基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述的光电忆阻器还包括衬底，所述衬底位于底电极层下方。
3.根据权利要求2所述的基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述的衬底为绝缘衬底、半导体衬底或导电衬底，其中，所述绝缘衬底为热氧化硅片、玻璃、陶瓷或塑料；所述半导体衬底包括硅、氧化物半导体或氮化物半导体；所述导电衬底包括金属或石墨。
4.根据权利要求1所述的基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述底电极层、顶电极层以及氧化物层均通过镀膜工艺制备，所述镀膜工艺包括热蒸发、磁控溅射、溶胶凝胶、化学气相沉积或涂敷法。
5.根据权利要求1所述基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述的顶电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物和导电碳材料中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述的顶电极层的材料为金、铂、钨、铜、银、铝、钛、镍、锌、锡、锰和铁等中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述的氧化物层的材料为氧化锌、氧化锆、氧化铪、氧化硅、氧化钽、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化铟镓锌和氧化铟镓镉中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述底电极层的材料为金属、导电氧化物、导电氮化物和导电碳材料中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，在所述的短程增强模式下，所述可见光的波长为400～780nm，在所述的短程抑制模式下，所述的光信号为紫外光，所述紫外光的波长为200～400nm。
10.根据权利要求1-9任一项所述基于光电忆阻器同时实现突触短程增强和抑制的方法，其特征在于，所述的顶电极层的材料为金，所述的氧化物层的材料为氧化铟镓锌，所述底电极层的材料为铂，所述的顶电极层的厚度为8-15nm，所述的氧化物层的厚度为50-55nm，其中缺氧层厚度为25-40nm，富氧层厚度为28-35nm，所述的底电极层的厚度为170-178nm，采用可见光实现突触短程增强，采用紫外光实现突触短程抑制。
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