CN115411136A - 光电神经突触器件、对应的制备方法和工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体工艺，公开了一种光电神经突触器件、对应的制备方法及工作方法，所述光电神经突触器件，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底表面的GaN层，位于所述GaN层表面的AlGaN层，位于所述AlGaN层表面的非晶SiNx层，位于所述非晶SiNx层表面的栅电极，其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构，位于所述AlGaN层表面的源电极和漏电极。本发明引入非晶SiNx层作为电荷存储层，使光生载流子通过异质结极化场分离后进入电荷存储层，从而达到保存光电流的目的，最终获得灵敏度高、可靠性好、记忆时间大于10年的光电神经突触器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种光电神经突触器件、对应的制备方法及工作方法。
背景技术
模拟生物神经网络行为的神经拟态计算，被认为是解决“冯·诺依曼瓶颈”最具有潜力的下一代计算机。神经突触是生物神经网络进行信息传递、处理、存储的基础结构，研发类神经突触行为的神经突触器件是实现神经拟态计算的关键。基于生物神经元通过电信号进行信息传递原理，研究人员研制了电刺激的神经突触器件，如忆阻器、晶体管、原子开关等，这些器件采用电信号模拟突触可塑性，面临带宽-连接密度权衡问题，使得电刺激神经网络的运行速度受到限制，可能出现严重的延迟和功率损失等互联问题。与电信号相比，光信号具有高带宽、低串扰、低能耗、无电阻电容延迟等优势，研究光刺激的光电神经突触器件能够提高神经拟态计算的数据处理速度，降低能耗。且光刺激在生物感知系统中占有重要地位，如人类获取外界信息超70％是通过视觉神经系统。研究光刺激的光电神经突触器件，也为模拟人类视觉行为奠定基础，解决当前视觉仿生系统数据冗余问题。因此，近年来引入光信号构建光电神经突触器件成为研究热点。
光电神经突触器件集感知、计算、存储于一体，为了确保数据存储的可靠性，器件记忆时间应大于10年。目前，光电神经突触器件的记忆时间几秒到几千秒不等，尚缺乏长久记忆的光电神经突触器件。
发明内容
本发明的目的就是解决背景技术中的问题，提出一种光电神经突触器件、对应的制备方法及工作方法，能够使器件长程可塑性(LTP)保持时间大于10年。
本发明提出了一种光电神经突触器件，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底表面的GaN层，位于所述GaN层表面的AlGaN层，位于所述AlGaN层表面的非晶SiNx层，位于所述非晶SiNx层表面的栅电极，其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构，位于所述AlGaN层表面的源电极和漏电极。
可选的，所述半导体衬底包括蓝宝石、Si、SiC、GaN其中的一种。
可选的，所述半导体衬底和GaN层之间还具有AlN层。
可选的，形成所述非晶SiNx层对应的非晶SiNx材料层的具体工艺为：利用PECVD法制备富含缺陷态的非晶SiNx材料层，其中，生长温度75-100℃，Si/N源气体的比例为1:1。
本发明实施例提供了一种光电神经突触器件的制备方法，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成GaN层，在所述GaN层表面形成AlGaN层，在所述AlGaN层表面形成非晶SiNx层，其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构；
刻蚀非晶SiNx层直到暴露出AlGaN层，在暴露出的所述AlGaN层表面形成源电极和漏电极，在所述非晶SiNx层表面形成栅电极。
可选的，形成所述浮栅结构的具体工艺包括：
通过外延的工艺在所述半导体衬底表面形成GaN材料层，在所述GaN材料层表面形成AlGaN材料层；
在所述AlGaN材料层表面形成非晶SiNx材料层；
对所述非晶SiNx材料层、AlGaN材料层和一定厚度的GaN材料层进行刻蚀，剩余的GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构。
可选的，形成所述非晶SiNx材料层的工艺为：利用PECVD法制备富含缺陷态的非晶SiNx材料层，其中，生长温度75℃-100℃，Si/N源气体的比例为1:1。
可选的，所述非晶SiNx层为富含缺陷态的非晶SiNx层。
可选的，还包括在所述半导体衬底和GaN层之间形成AlN层。
本发明实施例还提供了一种上述光电神经突触器件的工作方法，包括：
先在栅电极施加一个低于阈值电压的栅压，使得器件栅电极下方材料势垒升高，AlGaN/GaN沟道层中二维电子气耗尽，器件关断；
然后器件接受低于AlGaN带隙的紫外光的照射，在低于AlGaN带隙的紫外光激发下，GaN层吸收光产生光生载流子，在AlGaN/GaN异质结形成的强极化场的作用下，光生载流子分离，在栅电压作用下，光生电子隧穿进入非晶SiNx层，被非晶SiNx层中高密度缺陷态俘获，使得非晶SiNx层原本被栅压提升的势垒降低，因势垒升高而耗尽的二维电子气再次出现，器件导通，即SiNx层俘获电子改变了器件的阈值电压，实现存储作用。
本发明的有益效果：
本发明通过将GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层形成浮栅结构，在所述AlGaN层表面形成源电极和漏电极，在所述非晶SiNx层表面形成栅电极。当器件工作过程中先在栅电极施加一个低于阈值电压的栅压，使得器件栅电极下方材料势垒升高，AlGaN/GaN沟道层中二维电子气耗尽，器件关断；然后器件接受低于AlGaN带隙的紫外光的照射，在低于AlGaN带隙的紫外光激发下，GaN层吸收光产生光生载流子，在AlGaN/GaN异质结形成的强极化场的作用下，光生载流子分离，在栅电压作用下，光生电子隧穿进入非晶SiNx层，被非晶SiNx层中高密度缺陷态俘获，使得非晶SiNx层原本被栅压提升的势垒降低，因势垒升高而耗尽的二维电子气再次出现，器件导通，即SiNx层俘获电子改变了器件的阈值电压，实现存储作用。本发明引入非晶SiNx层作为电荷存储层，使光生载流子通过异质结极化场分离后进入电荷存储层，从而达到保存光电流的目的，最终获得灵敏度高、可靠性好、记忆时间大于10年的光电神经突触器件。
附图说明
图1是本发明实施例的光电神经突触器件的剖面结构示意图。
图2是本发明实施例的光电神经突触器件对波长为375nm、脉冲宽度为50ms光刺激的兴奋性突触后电流示意图。
图3是本发明实施例的光电神经突触器件经过50个光刺激器件兴奋性突触后电流，光刺激波长375nm、脉冲宽度为50ms，两个光刺激时间间隔950ms,兴奋性突触后电流保持时间大于104s；
图4是利用PECVD工艺形成的非晶SiNx材料层的表面形貌图。
具体实施方式
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
请参考图1，本发明提出了一种光电神经突触器件，包括：半导体衬底10，位于所述半导体衬底10表面的AlN层，位于所述AlN层表面的GaN层30，位于所述GaN层表面的AlGaN层40，位于所述AlGaN层40表面的非晶SiNx层50，位于所述非晶SiNx层50表面的栅电极63，位于所述AlGaN层40表面的源电极61和漏电极62，其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构。
所述半导体衬底包括蓝宝石、Si、SiC、GaN其中的一种。
在本实施例中，所述半导体衬底为SiC衬底，所述半导体衬底和GaN层之间还具有AlN层20。所述AlN层是为了缓解衬底与GaN层之间的晶格失配，以及解决Ga原子在SiC衬底上浸润性差问题。
由于GaN基材料是直接带隙半导体，带隙0.6eV到6.2eV连续可调，有光吸收系数大、电子饱和漂移速度高、热稳定性与化学稳定性好等优势，基于该材料制备的光探测器可实现单光子探测、自驱动探测，具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好、可应用于极限环境等诸多优势，将氮化物材料应用于光电神经突触器件，可获得高响应度、高可靠性器件。
但是，基于GaN材料制备的探测器响应速度快，如何实现非易失特性是将氮化物材料应用于非易失神经突触器件的一大挑战。在本实施例中，GaN基光电神经突触器件的结构包括光吸收层设计、电荷层储存设计。其中采用GaN层作为光吸收层，并利用GaN基材料的极化效应，构建AlGaN/GaN异质结形成极化场，促进光生载流子的分离，减小其复合速率，增加载流子寿命，提升GaN基非易失光电神经突触器件对微弱信号感知能力，减少信息获取误差。
在本发明实施例中，所述非晶SiNx层为富含缺陷态的非晶SiNx层。由于SiNx不吸收375nm的光，采用非晶SiNx层不会导致载流子复合，且所述非晶SiNx层富含缺陷态，能够捕获足够的光生电子，本发明引入非晶SiNx层作为电荷存储层，使光生载流子通过异质结极化场分离后进入电荷存储层，从而达到保存光电流的目的，最终获得灵敏度高、可靠性好、记忆时间大于10年的光电神经突触器件。
请参考图2和图3，其中图2是本发明实施例的光电神经突触器件对波长为375nm、脉冲宽度为50ms光刺激的兴奋性突触后电流示意图。图3是本发明实施例的光电神经突触器件经过50个光刺激器件兴奋性突触后电流，光刺激波长375nm、脉冲宽度为50ms，两个光刺激时间间隔950ms,光电流保持时间大于104s的兴奋性突触后电流示意图。
从图2和图3中可以说明，利用本发明的光电神经突触器件经过50个光刺激器件兴奋性突触后电流，光刺激波长375nm、脉冲宽度为50ms，两个光刺激时间间隔950ms,兴奋性突触后电流保持时间大于104s，通过对光电流衰减曲线进行指数拟合，利用拟合函数外推计算10年后突触后电流衰减，突触后电流保持时间大于10年，存储时间与存储器相比拟，即经过多个光刺激，本发明的光电神经突触器件可以从器件短程可塑性(STP)转变为长程可塑性(LTP)。由于器件实现长期记忆的原因是光生电子隧穿进入SiNx层，并被SiNx层的缺陷俘获光生电子固定在SiNx层，隧穿几率与载流子浓度呈正比，测试选择的脉冲光脉冲时间为50ms，光刺激时间短，产生的光生载流子浓度有限，但在多个光刺激情况下，光生载流子积累，光生电子隧穿几率增加，发生明显的隧穿作用。
本发明实施例还提供了一种光电神经突触器件的制备方法，包括：
步骤S100，提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成GaN层，在所述GaN层表面形成AlGaN层，在所述AlGaN层表面形成非晶SiNx层，其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构；
步骤S200，刻蚀非晶SiNx层直到暴露出AlGaN层，在暴露出的所述AlGaN层表面形成源电极和漏电极，在所述非晶SiNx层表面形成栅电极。
其中，形成所述悬浮栅极结构的具体工艺包括：
通过外延的工艺在所述半导体衬底表面形成GaN材料层，在所述GaN材料层表面形成AlGaN材料层；
在所述AlGaN材料层表面形成非晶SiNx材料层；
对所述非晶SiNx材料层、AlGaN材料层和一定厚度的GaN材料层进行刻蚀形成隔离结构，剩余的GaN层、AlGaN层、SiNx层构成浮栅结构。
其中，形成所述非晶SiNx材料层的工艺为PECVD法。所述非晶SiNx层为富含缺陷态的非晶SiNx层。
其中，利用形成PECVD法形成富含缺陷态的非晶SiNx材料层的工艺为：生长温度75-100℃，Si/N源气体的比例为1:1。由于所述生长温度很低，为75-100℃，生长形成的非晶SiNx材料层富含有缺陷态，有利于非晶SiNx层的缺陷俘获光生电子固定在SiNx层。请参考图4，为本发明实施例的利用PECVD工艺形成的非晶SiNx材料层的表面形貌图。从形貌图也可以看出，非晶SiNx材料层的成膜致密度较低，缺陷较多。
形成所述GaN材料层和AlGaN材料层的工艺为MOCVD法。
在本实施例中，形成源电极、漏电极和栅电极可以采用同一金属沉积工艺形成。即在暴露出的所述AlGaN层表面利用电子束沉积、快速退火工艺形成源电极和漏电极，利用光刻、电子束沉积在所述非晶SiNx层表面形成栅电极。
在其他实施例中，栅电极也可以不和源电极、漏电极在同一金属沉积工艺形成。
本发明实施例还提供了一种光电神经突触器件的工作方法，包括：
先在栅电极施加一个低于阈值电压的栅压，使得器件栅电极下方材料势垒升高，AlGaN/GaN沟道层中二维电子气耗尽，器件关断；
然后器件接受低于AlGaN带隙的紫外光的照射，在低于AlGaN带隙的紫外光激发下，GaN层吸收光产生光生载流子，在AlGaN/GaN异质结形成的强极化场的作用下，光生载流子分离，在栅电压作用下，光生电子隧穿进入非晶SiNx层，被非晶SiNx层中高密度缺陷态俘获，使得非晶SiNx层原本被栅压提升的势垒降低，因势垒升高而耗尽的二维电子气再次出现，器件导通，即SiNx层俘获电子改变了器件的阈值电压，实现存储作用。
本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种光电神经突触器件，其特征在于，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底表面的GaN层，位于所述GaN层表面的AlGaN层，位于所述AlGaN层表面的非晶SiNx层，位于所述非晶SiNx层表面的栅电极，其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构，位于所述AlGaN层表面的源电极和漏电极。
2.如权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于：所述半导体衬底包括蓝宝石、Si、SiC、GaN其中的一种。
3.如权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于：所述半导体衬底和GaN层之间还具有AlN层。
4.如权利要求1所述的光电神经突触器件，其特征在于：形成所述非晶SiNx层对应的非晶SiNx材料层的具体工艺为：利用PECVD法制备富含缺陷态的非晶SiNx材料层，其中，生长温度75-100℃，Si/N源气体的比例为1:1。
5.一种光电神经突触器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底表面形成GaN层，在所述GaN层表面形成AlGaN层，在所述AlGaN层表面形成非晶SiNx层，对所述其中GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构；
刻蚀非晶SiNx层直到暴露出AlGaN层，在暴露出的所述AlGaN层表面形成源电极和漏电极，在所述非晶SiNx层表面形成栅电极。
6.如权利要求5所述的光电神经突触器件的制备方法，其特征在于，形成所述浮栅结构的具体工艺包括：
通过外延的工艺在所述半导体衬底表面形成GaN材料层，在所述GaN材料层表面形成AlGaN材料层；
在所述AlGaN材料层表面形成非晶SiNx材料层；
对所述非晶SiNx材料层、AlGaN材料层和GaN材料层进行刻蚀，剩余的GaN层、AlGaN层、非晶SiNx层构成浮栅结构。
7.如权利要求5所述的光电神经突触器件的制备方法，其特征在于，形成所述非晶SiNx材料层的工艺为：利用PECVD法制备富含缺陷态的非晶SiNx材料层，其中，生长温度75-100℃，Si/N源气体的比例为1:1。
8.如权利要求5所述的光电神经突触器件的制备方法，其特征在于，所述非晶SiNx层为富含缺陷态的非晶SiNx层。
9.如权利要求5所述的光电神经突触器件的制备方法，其特征在于，还包括在所述半导体衬底和GaN层之间形成AlN层。
10.一种如权利要求1所述的光电神经突触器件的工作方法，其特征在于，包括：
先在栅电极施加一个低于阈值电压的栅压，使得器件栅电极下方材料势垒升高，AlGaN/GaN沟道层中二维电子气耗尽，器件关断；
然后器件接受低于AlGaN带隙的紫外光的照射，在低于AlGaN带隙的紫外光激发下，GaN层吸收光产生光生载流子，在AlGaN/GaN异质结形成的强极化场的作用下，光生载流子分离，在栅电压作用下，光生电子隧穿进入非晶SiNx层，被非晶SiNx层中高密度缺陷态俘获，使得非晶SiNx层原本被栅压提升的势垒降低，因势垒升高而耗尽的二维电子气再次出现，器件导通，即SiNx层俘获电子改变了器件的阈值电压，实现存储作用。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117279402A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-22 | 西交利物浦大学 | 人工突触器件 |
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