CN115148845B - 一种感光神经元晶体管及其制备方法、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种感光神经元晶体管及其制备方法、使用方法，涉及微电子技术领域，包括漏电极、源电极、栅电极和感光二维材料层，具有感光二维材料的晶体管可作为一感光晶体管，在其中感光晶体管的漏电极端制备一个阈值开关器件，阈值开关器件与漏电极层连接，阈值开关器件无电压或电压不足不导通，达到阈值电压后导通。基于此，可以看做一种感光晶体管和一阈值开关器件的串联电路，串联节点为漏电极层。在同一个器件单元中实现高速并且复杂的视觉信号处理功能，不仅成功模拟了人类视觉神经元系统，同时解决了传统视觉系统的功耗和延迟问题，实现感存算一体化，降低设计与制造成本，有效地提高集成度和性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种感光神经元晶体管及其制备方法、使用方法。
背景技术
感光能力是人类视觉神经元处理信息的重要功能之一，人类视觉系统不仅可以同时检测，处理信息，而且其整体功耗极低，提供了一种高效并行的信息处理方式。然而传统的机器视觉系统主要由视觉感知单元、图像信息处理与识别单元等视觉系统控制单元组成，单元之间在物理空间上分离，感知数据在传感、内存和处理单元之间的反复搬运，造成了延时与能耗，同时也会引起丢失重要信息，或者造成数据冗余，因此传统视觉系统已难以满足大数据时代对海量数据实时处理的要求。神经形态视觉传感器能够模拟人类视网膜的功能，同时具备感知光信号、存储信号和进行信息预处理的功能，提升了信息处理效率，但存在具有电路复杂、像素面积大等缺点。基于此，一些基于二维材料阻变存储器等新型半导体器件的研究被引入在神经形态视觉系统中，通过单个或少量器件即可同时实现对光信号进行感知、存储与计算。传统的视觉系统中对光信息识别与存储运算单元彼此分离，导致高能耗和高延迟，同时在系统实现过程中电路复杂、像素面积大不利于高度集成。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种感光神经元晶体管及其制备方法、使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种感光神经元晶体管，包括漏极端、源电极层、栅电极层和感光二维材料层，其中，漏极端包括漏电极层和一阈值开关结构，所述阈值开关结构与所述漏电极层连接，所述阈值开关结构无电压或电压不足不导通，达到阈值电压后导通。
作为一种优选方案，其中，所述阈值开关结构包括底电极层、顶电极层和中间层开关调节层，以漏电极层作为的底电极层，形成阈值开关组件。
作为一种优选方案，所述顶电极层为金属银层，开关调节层为氧化铝开关调节层，底电极层为惰性电极层，所述底电极层同时也是漏电极层。
作为一种优选方案，所述栅电极层为重掺杂栅电极层，栅电极层上有二氧化硅介质层，二氧化硅介质层上有感光二维材料层、漏电极层和源电极层。
作为一种优选方案，感光二维材料层采用MoS2、HfS2、WS2或WSe2金属化合物材料。
作为一种优选方案，氧化铝开关调节层厚度为10-30 nm，顶电极层厚度为25-50nm。
基于上述结构，进一步提供一种感光神经元晶体管制备方法，包括以下步骤：
取具有衬底N型重掺杂的硅晶圆片作为衬底栅，并热氧化一层栅介质层；
将感光二维材料转移到栅介质层，形成感光沟道；制备源电极和漏电极；
制备和漏电极连接的阈值开关结构，以漏电极作为阈值开关结构的底电极；
采用光刻胶覆盖源电极和感光沟道，露出漏电极，在漏电极上制备氧化铝开关调节层；
在氧化铝开关调节层上制备金属银层作为顶电极层；
洗去光刻胶完成器件制备。
作为一种优选方案，所述在漏电极上制备氧化铝开关调节层，以及所述在氧化铝开关调节层上制备金属银层作为顶电极层的具体方法包括：
采用沉积方式在氧化铝开关调节层，厚度为10-30 nm，然后在调节层上沉积金属银，作为顶电极，厚度为25-50 nm。
基于上述结构，进一步提供一种感光神经元晶体管使用方法，采用上述的感光神经元晶体管，在漏极端施加电压脉冲信号，感光二维材料层接收光信号，源电极输出端输出脉冲信号，其中，所述光信号为组合光信号。
作为一种优选方案，施加背栅电压，背栅电压和光信号同时作用，漏极端的顶电极施加电压脉冲信号，源电极输出端输出脉冲信号。
本发明的有益效果：
1）本发明提供一种高紧凑的感光神经元晶体管，探测光信号的同时处理信息，直接将感应的光信号转化为电信号，进而加工为不同频率的脉冲输出，将传感、存储与运算的功能聚集在同一器件上，具备高速并且复杂的视觉信号处理功能，实现感存算一体化，在集成度、工作效率和能耗方面都具有巨大的优势。
2）我们可知人眼面对的环境光都是混合光，有各种波长和不同强度的光。但是人眼面对复杂的光信息，能够快速的识别出环境中的各种光信号。本发明提出的感光神经元晶体管方案可以很好模仿人类视觉神经元，实现人眼的感知能力。当有一段混合光，普通感光晶体管只会有一个电阻下降，电流改变对应器件感受到了一个光信号。
本发明提出的感光神经元晶体管，基于上述原理不仅可以感知光信号，同时可以通过阈值开关结构和沟道电阻的变化关系，对光信号进行分析处理，识别出一段光信号中深层次的信息，电流的改变是由一段光中某个别光强大或者合适的光造成的。这样一来，该晶体管器件就实现了感受光处理光输出有效光信息的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是感光神经元晶体管处理机制图；
图2是感光神经元晶体管电路结构图；
图3是阈值开关结构的阈值开关行为图；
图4是同一波长下不同光功率与沟道电流关系图；
图5是对应图4的不同光强状态下，不同栅压对应的电流关系图；
图6是器件受到较少有效光信号时输入-输出脉冲示意图；
图7是器件受到较多有效光信号时的输入-输出脉冲示意图；
图8是感光神经元晶体管制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
需要说明的是，下文中漏极端指代漏极位置的漏电极层和阈值开关结构阈值开关结构的整体，即漏电极层、调节层和顶电极层。
实施例1
一种感光神经元晶体管，包括漏极端、源电极层、栅电极层和感光二维材料层，漏极端包括漏电极层和一阈值开关结构，所述阈值开关结构与所述漏电极层连接，所述阈值开关结构无电压或电压不足不导通，达到阈值电压后导通。
基于此，如图2的（a），可以看做一种感光晶体管100和一阈值开关结构200的串联电路，串联节点为漏电极层。如图2的（b）所示是转化成电路图的示意。
利用的感光二维材料晶体管具有类似人眼一样通过感应光信号的变化改变沟道电阻的特性，将这一特性与阈值开关结构的阈值电压特性结合，可以实现通过器件感光强度不同来调节输出脉冲强度的频率，进而实现对模拟人眼神经元的器件。
作为一种优选的技术方案，阈值开关结构200包括底电极层201、顶电极层202和中间层开关调节层203，以漏电极层作为阈值开关结构的底电极层，形成阈值开关组件。顶电极层为金属银层，开关调节层为氧化铝开关调节层，底电极层为惰性金属层，底电极层同时也是漏电极层。作为一种各层的厚度优选方案，氧化铝开关调节层厚度为10-30 nm，顶电极层厚度为25-50 nm。
栅电极层101为重掺杂栅电极层，栅电极层上有二氧化硅介质层102，二氧化硅介质层上有感光二维材料层103、漏电极层和源电极层104。即晶体管沟道（下称“沟道”）材料为感光二维材料。漏电极层和底电极层共用一层，在图中不额外标注。
如图3所示，调节层与底电极和顶电极形成阈值开关组件。无电压或者电压很小的时候电阻很大，不导通，当受到的电压足够，促进调节层形成导电细丝，电阻瞬间变小导通。其中Icc是限制电流，防止器件瞬间电流过大，击穿损坏。
作为一种优选的方案，感光二维材料层为MoS2层。是因为纳米级的二硫化钼与光子具有比其他二维纳米材料更强的相互作用。此外具有相对较宽的电子带隙（~2eV）和较大的载流子有效质量、高场效应开关比、低的短沟道效应等优势。也可以是其他感光二维过渡硫系化合物材料，二硫化铪以及二硫化钨、二硒化钨、黑磷等。
当不同强度的光入射到感光二维材料时晶体管的阻值之间是正相关关系，相同波长下光强越强材料阻值越低，感光二维材料沟道电流越大，如图4，是在同一波长下，光功率与沟道电流的关系图。
根据上述原理，采用在器件源电极和漏电极之间施加1 V恒定电压作为性能测试，具体的是在源电极和漏极端的顶电极之间施加恒定电压，并施加背栅电压，改变背栅电压和入射光照强度，测试结果为沟道电阻越小，电流越大，得到图5所示的曲线，图中B为黑暗无光状态，CDEFG光强逐渐增大。根据对本实施例公开的感光神经元晶体管做的以上测试，进一步引出下文实施例2中的使用方法或者说是应用方法。
实施例2：
一种感光神经元晶体管使用方法，采用实施例1公开的感光神经元晶体管，在漏极端施加电压脉冲信号，感光二维材料层接收光，源电极输出端输出脉冲信号。整个器件通过进行光感应能力调节输出脉冲的频率，具有模仿人类视觉神经元的潜力。
具体的，在漏极端的顶电极施加电压脉冲信号，如果沟道没有光的作用，电阻大，要通过一段时间下或者很长有一段时间若干电压信号累加才能使漏极调节层形成导电细丝，导通源漏两极，得到很小的源漏电流，但当光信号作用沟道，降低沟道电阻，在相同电压脉冲信号下，串联的漏极分压瞬间变大，促使漏极端的调节层更容易形成导电细丝导通，降低电阻，瞬间产生大电流。
对于一段光信号中混合多种强度和波段的光，当入射光强足够，沟道电阻变小，漏极端分压变大，节约电压信号的累计，源漏电阻变小；相应的当光强不足，源漏电流保持在一个很小数值，当脉冲信号累计到一定时间可能会瞬间导通形成大电流。如图6，上为电压脉冲信号输入，随着时间累计达到阈值电压，器件导通输出电流脉冲信号，其中沟道中接收到的光信号中有4段光使沟道电阻明显降低，漏极分压明显增大，产生大电流。
当一段光信号混合光中高强度的光多，则沟道处于低电阻状态情况相对更多，则漏极端分压变大的次数增加，短时间电压脉冲信号下调节层形成导电细丝的次数相应变多，源漏出现大电流的频率也变多，则输出信号随着一端光信号中的光线差异，对于输出脉冲信号来说也会随之改变。这一行为对应着人眼神经元随着吸收外界光强的变化输出至人脑的信号发生变化。器件结构决定了输出的脉冲电响应对光子的能量有很强的依赖性，使得器件具有较为理想的感光敏感度。如图7，上为电压脉冲信号输入，随着时间累计达到阈值电压，器件导通输出电流脉冲信号，其中沟道中接收到的光信号中有7段光使沟道电阻明显降低，漏极分压明显增大，产生大电流，缩短脉冲信号累计到阈值电压的时间。
同时，本发明公开的此器件在黑暗环境下没有电流输出，开态时只有一定频率的脉冲通过，器件能耗较小。器件的开关特性基于阈值开关结构中金属离子的迁移，具有较快的开关速度。
基于该原理，可以衍生出不同的应用场景。
此处进一步公开其中一种应用场景，可知接收的一段光强不一的组合光信号，即其包含若干不同强度的光线。举例说明，在一具有遮挡物的场景中，采用实施例1公开的其中一种感光神经元晶体管，则在输入脉冲信号不变的情况下，输出信号依赖于接收到的光强作用。进一步的，若晶体管器件位置发生变化，或者遮挡物的位置发生变化，则可以预知的是沟道接收到的组合光信号也随之改变，从而影响输出脉冲信号的变化结果。
同理，可知道，不同颜色的光波强度不同，相应的该晶体管也可以像人眼一样识别出不同的颜色组合，即通过输入信号和输出信号的比对和差异性来识别和处理接收的图像。通过接收不同波段、强度的光信号影响输出频率的变化，模拟视觉系统的运作。
作为一种优选的技术方案，为了调控对不同的光强的感光能力，采用背栅结构，通过调整背栅电压与入射光强结合来改变二维材料的感光特性。一段光信号中存在弱信号和强信号，或一段光信号整体信号强度不够，沟道对于弱信号的识别能力存在不足的情况，施加栅压可以有效解决。
则一种感光神经元晶体管使用方法，采用实施例1公开的感光神经元晶体管，在漏极端施加电压脉冲信号，施加背栅电压，栅压和入射光照强度同时作用，漏极端的顶电极施加电压脉冲信号，源电极输出端输出脉冲信号。当光信号和栅压同时作用沟道，降低沟道电阻，在相同电压脉冲信号下，串联的漏极分压变大，促使漏极调节层更容易形成导电细丝导通，降低电阻，瞬间产生大电流。
实施例3：
一种感光神经元晶体管制备方法，包括以下步骤：
步骤a，取具有衬底N型重掺杂的硅晶圆片作为衬底栅，并热氧化一层栅介质层；
步骤b，将感光二维材料转移到SiO2栅介质层，形成感光沟道；
步骤c-d，制备源电极和漏电极；
步骤e，制备和漏电极连接的阈值开关结构，以漏电极作为阈值开关结构的底电极；
步骤f，采用光刻胶覆盖源电极和感光沟道，露出漏电极，在漏电极上制备氧化铝开关调节层；在氧化铝开关调节层上制备金属银层作为顶电极层；
步骤g，洗去光刻胶完成器件制备。
具体的，作为一种优选工艺，具体包括以下几个步骤：
步骤a，取具有衬底N型重掺杂的硅晶圆片作为衬底栅，并热氧化一层300nm±15nm的SiO2形成栅介质层8-1。
步骤b，将感光二维材料MoS2直接剥离到透明聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，然后将在标准的二维材料转移系统，使PDMS上的感光二维材料MoS2与二氧化硅栅介质层8-2贴合，最后缓慢抬起PDMS完成转移，形成感光沟道8-3。
其中，PDMS膜具有粘附性，将二维材料吸附起来，放在二氧化硅上面，转移平台加热（30-90 ℃），PDMS膜粘附性下降，与二维材料分离，直接撕掉PDMS，留下二维材料在硅上。
其中，二维材料转移系统主要有显微系统、高精度三维转移台、真空吸附加热集成样品装置等部分组成，可以实现二维材料的转移。
步骤c-d，在二维材料层旋涂光刻胶8-4，然后在105°C的热板上烘烤5分钟。随后，通过光刻工艺及刻蚀实现图案化确定MoS2沟道的源电极层8-5（S，Source）和漏电极层8-6（D,Drain），其中漏电极层也作为阈值开关结构的底电极层，通过磁控溅射技术沉积惰性金属作为源漏电极，如采用W，TiW，Al，以及Salicide等，光刻胶烘烤温度范围100-110 ℃。本实施例取105°C
步骤f，采用光刻工艺，用光刻胶将源电极层和沟道覆盖，只显示出漏电极层，采用原子层沉积ALD技术在漏电极沉积氧化铝开关调节层8-7，厚度为10-30 nm，然后采用磁控溅射技术在调节层上沉积金属银，作为顶电极8-8，厚度为25-50 nm。
步骤g，最后使用丙酮和异丙醇清洗去掉光刻胶，完成器件制备。
其中电极层（漏电极层、源电极层、顶电极层）和调节层的沉积方式，还包括各种薄膜沉积方法，以及PVD、CVD等。
需要说明的是：
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语 “一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种感光神经元晶体管，包括漏极端、源电极层、栅电极层和感光二维材料层，其特征在于，其中，漏极端包括漏电极层和一阈值开关结构，所述阈值开关结构与所述漏电极层连接，所述阈值开关结构包括底电极层、顶电极层和中间层开关调节层，所述中间层开关调节层为氧化铝开关调节层，以漏电极层作为阈值开关结构的底电极层，形成阈值开关组件，当沟道光强较弱，沟道电阻较大，此时阈值开关结构分压较小，需要通过一段时间下若干输入电压脉冲信号累加才能使漏极调节层形成导电细丝，导通源漏两极，从而输出较低频率的神经脉冲信号；当较强光信号作用沟道，降低沟道电阻，在相同电压脉冲信号下，漏端阈值开关部分分压瞬间变大，促使漏极端的调节层加快形成导电细丝导通，输出较高频率的脉冲，通过调节光强信号，可以动态改变神经元脉冲的输出频率，从而实现对感光信息进行分析。
2.根据权利要求1所述的感光神经元晶体管，其特征在于，所述顶电极层为金属银层，底电极层为惰性电极层，所述底电极层同时也是漏电极层。
3.根据权利要求1所述的感光神经元晶体管，其特征在于，所述栅电极层为重掺杂栅电极层，栅电极层上有二氧化硅介质层，二氧化硅介质层上有感光二维材料层、漏电极层和源电极层。
4.根据权利要求1或3所述的感光神经元晶体管，其特征在于，感光二维材料层采用MoS2、HfS2、WS2或WSe2金属化合物材料。
5.根据权利要求1所述的感光神经元晶体管，其特征在于，氧化铝开关调节层厚度为10-30nm，顶电极层厚度为25-50nm。
6.一种感光神经元晶体管制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-5任意一项所述的感光神经元晶体管，包括以下步骤：
取具有衬底N型重掺杂的硅晶圆片作为衬底栅，并热氧化一层栅介质层；
将感光二维材料转移到栅介质层，形成感光沟道；制备源电极和漏电极；
制备和漏电极连接的阈值开关结构，以漏电极作为阈值开关结构的底电极；
采用光刻胶覆盖源电极和感光沟道，露出漏电极，在漏电极上制备氧化铝开关调节层；
在氧化铝开关调节层上制备金属银层作为顶电极层；
洗去光刻胶完成器件制备。
7.根据权利要求6所述的感光神经元晶体管制备方法，其特征在于，所述在漏电极上制备氧化铝开关调节层，以及所述在氧化铝开关调节层上制备金属银层作为顶电极层的具体方法包括：
采用沉积方式在氧化铝开关调节层，厚度为10-30nm，然后在调节层上沉积金属银，作为顶电极，厚度为25-50nm。
8.一种感光神经元晶体管使用方法，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的感光神经元晶体管，在漏极端施加电压脉冲信号，感光二维材料层接收光信号，源电极输出端输出脉冲信号，其中，所述光信号为组合光信号。
9.根据权利要求8所述的感光神经元晶体管使用方法，其特征在于，施加背栅电压，背栅电压和光信号同时作用，漏极端的顶电极施加电压脉冲信号，源电极输出端输出脉冲信号。
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