CN114944440B - 一种仿生视觉神经突触器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿生视觉神经突触器件及其制备方法。该仿生视觉神经突触器件包括：衬底，作为栅电极；栅介质层，形成在所述栅电极上；沟道，形成在所述栅介质层上，包括能带相匹配的第一二维半导体薄膜和第二二维半导体薄膜，两者相互邻接且有重叠的区域，形成异质结；源电极和漏电极分别形成在所述沟道两侧，通过光脉冲输入图像信息，利用两种二维半导体薄膜构建的异质结形成的光电响应增强效果，对光电信息进行采集、处理与存储，实现视觉系统的图像处理功能，用于构建感存算一体化的神经形态感知系统。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种仿生视觉神经突触器件及其制备方法。
背景技术
传统的传感单元与计算单元、存储单元处于分离的状态，信息需要通过视觉等传感单元将有效数据采集，并通过数模转换器等模块将数据转换成计算与存储单元可以处理的形式，并通过线路连接将信息传递至存储与计算单元。这一繁琐的过程使得信息处理的延迟、能耗增加，构架同时具有感知、存储与计算功能的仿生视觉器件将极大程度提高系统的处理效率。
相比于传统的硅基材料体系，MoS2、石墨烯等二维半导体材料作为一种新兴的材料体系，具有平面内工作、厚度薄、可弯曲、低功耗、高迁移率等优势，具有应用于可微缩的小尺寸晶体管的潜力。此外，二维半导体材料由于独特的能带调控特性，非常适合于应用于光电探测器件。
发明内容
本发明公开一种仿生视觉神经突触器件，包括：衬底，作为栅电极；栅介质层，形成在所述栅电极上；沟道，形成在所述栅介质层上，包括能带相匹配的第一二维半导体薄膜和第二二维半导体薄膜，两者相互邻接且有重叠的区域，形成异质结；源电极和漏电极分别形成在所述沟道两侧，通过光脉冲输入图像信息，利用两种二维半导体薄膜构建的异质结形成的光电响应增强效果，对光电信息进行采集、处理与存储，实现视觉系统的图像处理功能，用于构建感存算一体化的神经形态感知系统。
本发明的仿生视觉神经突触器件中，优选为，所述第一二维半导体薄膜为WS2，MoS2，ReS2。
本发明的仿生视觉神经突触器件中，优选为，所述第二二维半导体薄膜为MoTe2，WSe2，SnSe2，PtS2。
本发明的仿生视觉神经突触器件中，优选为，所述栅介质层为HfO2，ZrO2，TiOx，Al2O3。
本发明的仿生视觉神经突触器件中，优选为，所述第一/第二二维半导体薄膜的厚度为1nm～10nm，长度为5μm～20μm，宽度为2μm～10μm；两者的重叠区域的长度为3μm～15μm，宽度为2μm～10μm。
本发明还公开一种仿生视觉神经突触器件制备方法，包括以下步骤：准备衬底作为栅电极；在所述栅电极上形成栅介质层；将第一二维半导体薄膜和第二二维半导体薄膜以相互邻接的方式转移至所述栅介质层上，且两者有相互重叠的区域，形成异质结，作为沟道；在所述沟道两侧形成源电极和漏电极，通过光脉冲输入图像信息，利用两种能带相匹配的二维半导体薄膜构建的异质结形成的光电响应增强效果，对光电信息进行采集、处理与存储，实现视觉系统的图像处理功能，用于构建感存算一体化的神经形态感知系统。
本发明的仿生视觉神经突触器件制备方法中，优选为，所述第一二维半导体薄膜为WS2，MoS2，ReS2；所述第二二维半导体薄膜为MoTe2，WSe2，SnSe2，PtS2。
本发明的仿生视觉神经突触器件制备方法中，优选为，所述栅介质层为HfO2，ZrO2，TiOx，Al2O3。
本发明的仿生视觉神经突触器件制备方法中，优选为，所述第一/第二二维半导体薄膜的厚度为1nm～10nm，长度为5μm～20μm，宽度为2μm～10μm；两者的重叠区域的长度为3μm～15μm，宽度为2μm～10μm。
本发明的仿生视觉神经突触器件制备方法中，优选为，所述光脉冲的波长为350nm～650nm。
有益效果：
(1)打破传统的传感器件仅能对信息采集的壁垒，构建仿生视觉神经突触器件，在同一器件完成信息的采集、处理与存储，极大程度地提高了整个系统的处理效率，降低了系统的能耗，在边缘计算等应用场景更具优势。
(2)采用二维半导体材料作为沟道材料制备光电视觉晶体管，借助二维材料在亚纳米尺寸的工作能力，将极大限度地降低单个器件在集成电路中的占地空间，非常有利于提高整个芯片的集成密度与容量，推动半导体器件向亚纳米尺寸发展。
(3)利用两种或多种不同的半导体材料组成异质结，借助两者的能带匹配优势，可最大化地提升器件的光电响应能力，在仿生视觉神经突触功能的模拟过程中具有巨大优势。
附图说明
图1是仿生视觉神经突触器件制备方法的流程图。
图2～图5是仿生视觉神经突触器件制备方法各阶段的结构示意图。
图6是仿生视觉神经突触器件的运行示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是仿生视觉神经突触器件制备方法的流程图。如图1所示，仿生视觉神经突触器件制备方法包括以下步骤：
在步骤S1中，准备p型高掺硅片衬底用于制备基于二维半导体异质结的性能强化仿生视觉神经突触器件，同时衬底用作器件的栅电极100。优选的硅片衬底为高掺的P型硅，高掺的N型硅等高导电的硅片。
在步骤S2中，利用原子层沉积技术在衬底100上制备20nm～50nm厚的HfO2作为栅介质层101，如图2所示，生长温度为250℃～350℃。栅介质层材料还可以是ZrO2，TiOx，Al2O3等高K介质材料。
在步骤S3中，利用机械剥离法在栅介质层101上制备第一二维半导体薄膜102，如图3所示。第一二维半导体薄膜材料优选为WS2，还可以是MoS2，ReS2等过渡金属硫族化合物；薄膜厚度优选为1nm～10nm；薄膜长度优选为5μm～20μm；薄膜宽度优选为2μm～10μm。
在步骤S4中，利用转移平台在第一二维半导体薄膜102旁以相互邻接的方式形成第二二维半导体薄膜103，优选地，两者存在相互重叠的区域，如图4所示。第二二维半导体薄膜可以是MoTe2，WSe2，SnSe2，PtS2等具有优异光电探测性能的二维半导体薄膜材料，且与第一二维半导体薄膜能带相匹配。例如两者材料均对可见光波段具有特定光响应，在可见光下分别产生大量的光生载流子。那么这两种材料堆叠产生异质结型器件后，在可见光照射下同时产生大量的光生载流子，器件总体效果表现为可见光波段的光响应更强。第二二维半导体薄膜的厚度优选为1nm～10nm；长度优选为5μm～20μm；宽度优选为2μm～10μm。重叠区域的长度优选为3μm～15μm；重合宽度优选为2μm～10μm。
在步骤S5中，利用电子束光刻和物理气相沉积技术，在沟道两侧即第一二维半导体薄膜102侧和第二二维半导体薄膜103侧生长源电极104和漏电极105，完成仿生视觉神经突触器件的制备，如图5所示。电极材料优选为Cr/Au，Ni/Au，Ti/Au，Cr/Pt，Ni/Pt，Ti/Pt，Cr/Pd，Ni/Pd，Ti/Pd等；底层金属的厚度优选为50nm～100nm，顶层金属的厚度优选为5nm～20nm。
如图5所示，仿生视觉神经突触器件，包括：衬底100，作为栅电极；栅介质层101，形成在栅电极100上；沟道，形成在栅介质层101上，包括能带相匹配的第一二维半导体薄膜102和第二二维半导体薄膜103，两者相互邻接且有重叠的区域，形成异质结；源电极104和漏电极105分别形成在沟道两侧。
如图6所示，通过向仿生视觉神经突触器件施加光脉冲(光脉冲波长优选为350nm～650nm)输入图像信息，借助两种不同二维半导体材料能带的调控匹配构建的异质结实现器件光电响应程度的强化，利用神经突触的电导权重调节特性可以实现对图像的识别与记忆，实现器件的仿生视觉处理与存储功能。完成了具有光信息感知、存储与计算功能的新型仿生视觉神经突触器件的构建，实现了器件的高性能光电响应与存算一体功能，提高了器件的可操控性与信息处理速度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种仿生视觉神经突触器件，其特征在于，
包括：
衬底，作为栅电极；
栅介质层，其为高k介质材料，形成在所述栅电极上；
沟道，形成在所述栅介质层上，包括能带相匹配的第一二维半导体薄膜和第二二维半导体薄膜，两者相互邻接且有重叠的区域，形成异质结，所述第一二维半导体薄膜为WS2，MoS2，ReS2，所述第二二维半导体薄膜为MoTe2，WSe2，SnSe2，PtS2；
源电极和漏电极分别形成在所述沟道两侧，
通过光脉冲输入图像信息，利用两种二维半导体薄膜构建的异质结的能带的调控匹配形成的光电响应增强效果，对光电信息进行采集、处理与存储，实现视觉系统的图像处理功能，用于构建感存算一体化的神经形态感知系统。
2.根据权利要求1所述的仿生视觉神经突触器件，其特征在于，
所述栅介质层为HfO2，ZrO2，TiOx，Al2O3。
3.根据权利要求1所述的仿生视觉神经突触器件，其特征在于，
所述第一/第二二维半导体薄膜的厚度为1nm～10nm，长度为5μm～20μm，宽度为2μm～10μm；两者的重叠区域的长度为3μm～15μm，宽度为2μm～10μm。
4.一种仿生视觉神经突触器件制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
准备衬底作为栅电极；
在所述栅电极上形成高k介质材料，作为栅介质层；
将第一二维半导体薄膜和第二二维半导体薄膜以相互邻接的方式转移至所述栅介质层上，且两者有相互重叠的区域，形成异质结，作为沟道，所述第一二维半导体薄膜为WS2，MoS2，ReS2；所述第二二维半导体薄膜为MoTe2，WSe2，SnSe2，PtS2；
在所述沟道两侧形成源电极和漏电极，
通过光脉冲输入图像信息，利用两种能带相匹配的二维半导体薄膜构建的异质结形成的光电响应增强效果，对光电信息进行采集、处理与存储，实现视觉系统的图像处理功能，用于构建感存算一体化的神经形态感知系统。
5.根据权利要求4所述的仿生视觉神经突触器件制备方法，其特征在于，
所述栅介质层为HfO2，ZrO2，TiOx，Al2O3。
6.根据权利要求4所述的仿生视觉神经突触器件制备方法，其特征在于，
所述第一/第二二维半导体薄膜的厚度为1nm～10nm，长度为5μm～20μm，宽度为2μm～10μm；两者的重叠区域的长度为3μm～15μm，宽度为2μm～10μm。
7.根据权利要求4所述的仿生视觉神经突触器件制备方法，其特征在于，
所述光脉冲的波长为350nm～650nm。
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