CN115084364A - 一种太赫兹神经突触忆阻器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太赫兹神经突触忆阻器件及其制备方法。该太赫兹神经突触忆阻器件包括：衬底；有源区，形成在所述衬底上；两个电极，其为叉指状，包括测试部和指状部，两个电极的测试部分别形成在所述有源区两侧，指状部以一定间隔交错排列在所述有源区上，并且相邻指状部间的间距控制在纳米级；将两个电极分别作为神经突触的突触前端和突触后端，在突触前端施加高频电压信号作为神经突触的激励源，对突触后端的电流信号响应进行采集，从而实现太赫兹神经形态计算功能。
Description
技术领域
本发明涉及属于半导体技术领域，具体涉及一种太赫兹神经突触忆阻器件及其制备方法。
背景技术
神经形态计算作为一种高效的计算方式，可以打破传统冯诺依曼式计算架构的瓶颈，特别是存储单元与计算单元的功能整合，避免了额外的能耗并且提升了计算效率。神经突触忆阻器作为其中的关键元件，速度与功耗的提升优化对整个系统的计算能效提高起到至关重要的作用。
人脑中的神经突触响应频率为100HZ，即可完高效地完成各项复杂的计算任务和生命活动。受到人脑的启发，构建仿生神经突触器件具有实现类似人脑的智能计算的潜力。然而，受限于制备工艺与器件结构，传统的神经突触器件的响应频率为10HZ～1kHZ。为了进一步提高器件的计算能效，开发高频神经形态器件已成为下一代类脑计算的发展方向。
太赫兹波频段为1000GHZ，对应的器件响应速度极快。然而太赫兹器件多被用在无线通信、安全系统等领域，在神经形态计算领域未有报道。开发太赫兹神经突触器件可极大程度地提高操作速度，获得远超越人脑的高速仿生突触与计算系统，具有优异的应用前景。
另一方面，随着摩尔定律的发展，器件的尺寸不断微缩并接近物理极限，发纳米级尺寸的器件刻不容缓。将器件制备成平面型的纳米尺寸不仅有利于提高半导体电路的集成密度，更适合应用于太赫兹神经形态器件。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种太赫兹神经突触忆阻器件包括：衬底；有源区，形成在所述衬底上；两个电极，其为叉指状，包括测试部和指状部，两个电极的测试部分别形成在所述有源区两侧，指状部以一定间隔交错排列在所述有源区上，并且相邻指状部间的间距控制在纳米级；将两个电极分别作为神经突触的突触前端和突触后端，在突触前端施加高频电压信号作为神经突触的激励源，对突触后端的电流信号响应进行采集，从而实现太赫兹神经形态计算功能。
本发明的太赫兹神经突触忆阻器件中，优选为，所述有源区的材料SiO2，Si3N4，Al2O3或SnO2。
本发明的太赫兹神经突触忆阻器件中，优选为，所述有源区的长度为30nm～80nm，宽度为20nm～80nm。
本发明的太赫兹神经突触忆阻器件中，优选为，所述电极的材料为Al，Au，Pt或Ag。
本发明还公开一种太赫兹神经突触忆阻器件制备方法，包括以下步骤：准备衬底；在所述衬底上生长功能层，光刻刻蚀形成有源区；在所述有源区形成两个叉指状电极，包括测试部和指状部，两个电极的测试部分别形成在所述有源区两侧，指状部以一定间隔交错排列在所述有源区上，并且相邻指状部间的间距控制在纳米级；将两个电极分别作为神经突触的突触前端和突触后端，在突触前端施加高频电压信号作为神经突触的激励源，对突触后端的电流信号响应进行采集，从而实现太赫兹神经形态计算功能。
本发明的太赫兹神经突触忆阻器件制备方法中，优选为，所述有源区的材料SiO2，Si3N4，Al2O3或SnO2。
本发明的太赫兹神经突触忆阻器件制备方法中，优选为，所述有源区的长度为30nm～80nm，宽度为20nm～80nm。
本发明的太赫兹神经突触忆阻器件制备方法中，优选为，光刻刻蚀形成有源区的步骤具体包括：利用电子束光刻在所述功能层上定义有源区；在所述有源区区域分两步旋凃光刻胶，第一步旋涂的参数为500转/秒～800转/秒，旋涂时长5秒～30秒；第二步旋涂的参数为3000转/秒～5000转/秒，旋涂时长40秒～1分30秒；旋涂后利用热板烘烤，温度为120℃～180℃，烘烤时长1分钟～10分钟；以所述光刻胶为掩膜，干法刻蚀去除未被光刻胶保护部分的功能层，形成有源区。
有益效果：
(1)构建纳米级忆阻器件，工作区域的最小尺寸定义为20nm，更利于器件的尺寸微缩以及集成密度的提高，适应了摩尔定律的发展。
(2)将1000GHZ频率的太赫兹器件应用于神经形态计算，相比于生物突触的100HZ响应速度提升了10个数量级，可极大程度提升神经形态计算的效率，为高速神经形态计算体系的建立提供一种新的路径。
(3)设计的纳米级忆阻器为平面型结构，相比于垂直型的忆阻器件，这种结构非常适合于原位表征的方法对器件的机理进行直接的观察与揭示，为器件的性能优化与提升提供保障。
附图说明
图1是太赫兹神经突触忆阻器件制备方法的流程图。
图2～图6是太赫兹神经突触忆阻器件制备方法各阶段的结构示意图。
图7A～图7D是太赫兹神经突触忆阻器件实现高速响应的原理示意图。
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是太赫兹神经突触忆阻器件制备方法的流程图。如图1所示，太赫兹神经突触忆阻器件制备方法包括以下步骤：
在步骤S1中，准备4英寸的硅片作为制备纳米级太赫兹神经突触忆阻器的衬底100，分别利用丙酮、异丙醇和水进行清洗，利用激光切割仪获得边长为1.5cm×1.5cm的硅片待用。优选的衬底为硅片，还可以是玻璃、蓝宝石等。
在步骤S2中，利用PECVD在硅片衬底100上生长厚度为20nm的SiO2薄膜作为功能层101，如图2所示。功能层材料还可以是Si3N4，Al2O3，SnO2等；厚度优选为20nm，范围可取10nm～50nm。
在步骤S3中，利用电子束光刻在SiO2薄膜101上定义长度为30nm～80nm，宽度为20nm～80nm的矩形作为有源区。利用电子束正胶PMMA102(型号AR-P679)保护待工作区域的SiO2薄膜101，如图3所示。PMMA旋涂分两步，第一步旋涂的参数为500转/秒～800转/秒，旋涂时长5秒～30秒；第二步旋涂的参数为3000转/秒～5000转/秒，共计40秒～1分30秒。旋涂后利用热板烘烤，温度为120℃～180℃，烘烤时长1分钟～10分钟。
之后，对未被光刻胶保护部分的SiO2薄膜101利用RIE干法刻蚀去除，所得结构如图4所示。其中，刻蚀气体为CF4，流量为50sccm～100sccm，功率为300W～600W，刻蚀时间为5min-10min。
在步骤S4中，利用电子束光刻定义工作电极的形状，然后，利用物理气相沉积法制备厚30nm～100nm的Pt作为电极。优选地电极设计为叉指电极，以使得器件接收信号更灵敏，实现高频的太赫兹波段响应。两个叉指平面电极103,104包括测试部和指状部，两个电极的测试部分别形成在有源区两侧，两个电极的指状部以一定间隔交错排列在有源区上。相邻指状部间的间距控制在20nm，获得有效工作区域为20nm的太赫兹神经突触忆阻器件，如图5所示。平面电极103/104的面积优选为60μm×60μm。电极的材料优选为Pt，还可以是Al，Au，Ag等。
在步骤S5中，如图6所示，将纳米级太赫兹神经突触忆阻器的两个电极103,104分别作为神经突触的突触前端和突触后端，在突触前端施加高频电压信号作为神经冲动的激励源，对突触后端的电流信号响应进行采集，从而实现太赫兹神经形态计算功能。
本发明结合了太赫兹器件的高频响应特性以及神经突触器件的神经形态计算特性，可获得1000GHZ频率下的神经形态可塑性，用以实现高速神经计算。如图7A～图7D所示，器件实现高速响应的原理是氧空位导电通道在高频电压下的形成与断裂，主要分为四个阶段。第一阶段：当在作为突触前端的电极103施加正电压时，氧空位开始积累，但未形成连续通道，因此器件处于高电阻的状态；第二阶段：继续在作为突触前端的电极103施加正电压，正负电极间的氧空位逐渐连接形成导电通道，器件处于低阻态；第三阶段：当在作为突触前端的电极103施加负电压时，一部分氧空位与氧离子结合，氧空位导电细丝断裂，器件的导电性降低，器件处于高电阻的状态；第四阶段：施加正向电压至突触前端的电极103，氧空位再次积累形成导电通道，器件再次恢复为低电阻状态。
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 (8)
1.一种太赫兹神经突触忆阻器件，其特征在于，
包括：
衬底；
有源区，形成在所述衬底上；
两个电极，其为叉指状，包括测试部和指状部，两个电极的测试部分别形成在所述有源区两侧，指状部以一定间隔交错排列在所述有源区上，并且相邻指状部间的间距控制在纳米级；
将两个电极分别作为神经突触的突触前端和突触后端，在突触前端施加高频电压信号作为神经突触的激励源，对突触后端的电流信号响应进行采集，从而实现太赫兹神经形态计算功能。
2.根据权利要求1所述的太赫兹神经突触忆阻器件，其特征在于，
所述有源区的材料SiO2，Si3N4，Al2O3或SnO2。
3.根据权利要求1所述的太赫兹神经突触忆阻器件，其特征在于，
所述有源区的长度为30nm～80nm，宽度为20nm～80nm。
4.根据权利要求1所述的太赫兹神经突触忆阻器件，其特征在于，
所述电极的材料为Al，Au，Pt或Ag。
5.一种太赫兹神经突触忆阻器件制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
准备衬底；
在所述衬底上生长功能层，光刻刻蚀形成有源区；
在所述有源区形成两个叉指状电极，包括测试部和指状部，两个电极的测试部分别形成在所述有源区两侧，指状部以一定间隔交错排列在所述有源区上，并且相邻指状部间的间距控制在纳米级；
将两个电极分别作为神经突触的突触前端和突触后端，在突触前端施加高频电压信号作为神经突触的激励源，对突触后端的电流信号响应进行采集，从而实现太赫兹神经形态计算功能。
6.根据权利要求5所述的太赫兹神经突触忆阻器件制备方法，其特征在于，
所述有源区的材料SiO2，Si3N4，Al2O3或SnO2。
7.根据权利要求5所述的太赫兹神经突触忆阻器件制备方法，其特征在于，
所述有源区的长度为30nm～80nm，宽度为20nm～80nm。
8.根据权利要求5所述的太赫兹神经突触忆阻器件制备方法，其特征在于，
光刻刻蚀形成有源区的步骤具体包括：
利用电子束光刻在所述功能层上定义有源区；
在所述有源区区域分两步旋凃光刻胶，第一步旋涂的参数为500转/秒～800转/秒，旋涂时长5秒～30秒；第二步旋涂的参数为3000转/秒～5000转/秒，旋涂时长40秒～1分30秒；旋涂后利用热板烘烤，温度为120℃～180℃，烘烤时长1分钟～10分钟；
以所述光刻胶为掩膜，干法刻蚀去除未被光刻胶保护部分的功能层，形成有源区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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