CN117423746A - 一种光电调控神经突触晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电调控神经突触晶体管及制备方法，包括衬底、背栅电极、铁电薄膜、沟道层和光增透层，光增透层两端分别设置有源电极和漏电极，其中，沟道层的材料包括一层或多层低维材料，并且至少有一层低维材料与源漏电极接触，其中，低维材料为二维材料或一维材料；铁电薄膜具有铁电极化效应，且极化翻转特性受背栅电极调控。本发明通过对光激励和电调控协同作用下的光电调控神经突触晶体管的结构进行重新设计并对材料进行优化，实现具有易调控、低功耗且易于与脉冲神经网络算法相兼容的类脑神经突触器件，基于该器件结构并行存储和运算以及自适应学习优势，进而从器件层面提升存算一体和视觉传感的功能。
Description
本申请是申请日期为：2020年12月14日，申请号为：202011465909.6，发明名称为：“一种光电调控神经突触晶体管及其制备方法”的分案申请。
技术领域
本发明属于仿生电子信息技术领域，尤其涉及一种光电调控神经突触晶体管及其制备方法。
背景技术
随着5G、智能万物互联(artificial intelligent internet of things，AIoT)以及人工智能技术的不断进步，高能效、低功耗、存算一体的硬件系统成为大数据时代，人工智能和物联网大规模产业化的核心需求。当前冯·诺依曼数据存储与运算分立的计算架构在智能大数据分析等场景应用中面临越来越多的困难，存算分离的传统架构中，存储墙问题和功耗墙问题成为制约人工智能基础发展的瓶颈问题。
类脑计算模拟人脑的工作机制，具有自我感知、低功耗以及自我学习的优势，在人脑中，神经元通过改变神经突触之间的突触权重来实现学习和记忆等功能。近年来，从器件层面构建人工生物突触电子器件，通过调节电子器件沟道电导实现前后神经元突触权重的模拟。新型人造突触器件不但可能成为高仿人脑计算机中的一部分，用于智能机器人、疑难病症医疗诊断、证券交易分析等新兴领域，还将在通过采集视觉、听觉、嗅觉和触觉信号来工作的计算机方面有广阔应用前景，如无人驾驶汽车、声控界面、气味识别和人造皮肤感知等。
依据摩尔定律的等比例尺寸缩小技术在同时提高芯片性能和降低功耗方面也面临巨大挑战，实现这些神经元和神经突触最直接的办法是使用数字电路去做数学上等价的电路(例如IBM的True North)，但是代价太大，能效比较低，且难以改善。因此，最终的解决方案是利用新材料，新结构研制低功耗具有生物突触和神经元功能的新型固态器件来真正模拟生物神经突触的功能。
发明内容
有鉴于此，非常需要一种易调控、低功耗且易于与脉冲神经网络算法相兼容的类脑神经突触器件。
本发明的目的在于面向未来神经拟态计算，提供一种基于低维原子晶体材料与铁电材料结构的具有非易失性、低能耗的光电调控神经突触晶体管及其制备方法。其中通过对四端铁电低维沟道材料晶体管的结构设计以及各结构层材料优化，实现了具有源、漏、背栅和光栅的四端器件，具有与SNN算法兼容，且能够模拟人脑突触的功能。本发明基于铁电薄膜极化的非易失性，通过背栅调控铁电薄膜的极化，光脉冲作为监督信号，实现低维沟道材料的电导非易失性的连续可调。
本发明基于场效应晶体管结构突触器件具有相对更为可控的测试参数，较高的稳定性和可选的电极和沟道材料。本发明基于低维材料为沟道，铁电材料极化调控沟道电导，采用“光栅+电调制”神经突触器件具有传统“电读取，电调制”神经突触器件无法比拟的优势，本发明不仅具有传统忆阻器低能耗、非易失性等特性，而且还具有光作为信息载体进行信号处理带宽大、抗电磁干扰能力强的优势。
在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种光电调控神经突触晶体管，包括：衬底、背栅电极、铁电薄膜、沟道层和光增透层，上述光增透层两端分别设置有源电极和漏电极，其中，
上述沟道层的材料包括一层或多层低维材料，并且至少有一层低维材料与上述源漏电极接触，其中，上述低维材料为二维材料或一维材料；
上述铁电薄膜具有铁电极化效应，且极化翻转特性受上述背栅电极调控。
在本发明的一个实施例中，上述衬底为绝缘衬底，上述绝缘的材料为高阻硅/二氧化硅复合衬底、蓝宝石、金刚石、碳化硅、氮化镓或柔性衬底材料。
在本发明的另一个实施例中，上述背栅电极形成于上述衬底上侧，上述背栅电极的材料为钨金属、氮化钛、金、铂或氧化铟锡。
在本发明的又一个实施例中，上述铁电薄膜的材料为掺杂硅/锆/钇/铝的氧化铪、锆钛酸铅、二元聚偏氟乙烯或铋层状钙钛矿。
在本发明的再一个实施例中，上述沟道层的材料为硫化物和硒化物的二维原子晶体材料、石墨烯、碳纳米管或黑磷。
在本发明的再一个实施例中，上述光增透层的材料为高增透的氧化物介质材料或者具有较高光吸收的量子点材料。
在本发明的再一个实施例中，上述源电极和漏电极的材料为石墨烯、金钛合金、金铂合金、氧化铟锡或金铬合金。
在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种光电调控神经突触晶体管的制备方法，包括：
在上述衬底上光刻上述背栅电极的图形；
在上述背栅电极的图形上通过电子束蒸发或磁控溅射，结合剥离的方式制备背栅电极；
在上述背栅电极的基底上通过原子层沉积或旋涂和溶胶凝胶的方式制备上述铁电薄膜；
在上述铁电薄膜上侧采用所述低维材料通过转移技术、气相沉积技术或旋涂技术制备上述沟道层；
在上述沟道层上侧制备光增透层；
在上述光增透层两端分别光刻出上述源电极和上述漏电极。
在本发明的一个实施例中，上述背栅电极的图形的平面结构为T型。
在本发明实施方式的第三方面中，提供了一种光电调控神经突触晶体管的光电调控方法，包括：
上述源电极和上述漏电极通电后产生局域电场；
上述光增透层接收光脉冲信号；
上述沟道层在上述光脉冲信号的作用下产生光生载流子；
上述局域电场控制所述光生载流子的迁移，同时，上述铁电薄膜在上述背栅电极的调控下控制上述光生载流子的行为。
本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的沟道层基于低维原子晶体材料制作，并通过光增透层和沟道层的光电特性，能够接收光脉冲信号，在光栅作用下，能够实现对视觉信号的接收和处理；同时，本发明利用铁电薄膜的非易失特性，通过背栅电极的栅压调控铁电薄膜，实现铁电薄膜极化向上和极化向下的翻转，进而实现对生物突触可塑性的模拟。
本发明通过对光激励和电调控协同作用下的光电调控神经突触晶体管的结构进行重新设计并对材料进行优化，实现具有易调控、低功耗且易于与脉冲神经网络算法相兼容的类脑神经突触器件，基于该器件结构并行存储和运算以及自适应学习优势，进而从器件层面提升信息存储和图像识别的功能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的制备方法流程图。
图3是本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的光电调控方法流程图。
图4是本发明实施例提供的基于低维材料为沟道，结合铁电材料的光电神经突触晶体管铁电栅的PE曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。应当注意的是，附图中的各个部分没有按真实尺寸比例绘制，可能并未表示出某些本领域技术人员所公知的部分。
在下文中描述了本发明的具体实施例的某些结构，材料，工艺细节，以便更清楚地理解。但正如本领域技术人员能够理解的那样，可以不通过这些细节实现本发明相同或相似功能的发明。
图1为本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的结构示意图。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管包括：衬底101、背栅电极102、铁电薄膜103、沟道层104和光增透层105，光增透层105两端分别设置有源电极106和漏电极107，其中，
沟道层104的材料包括一层或多层低维材料，并且至少有一层低维材料与源漏电极107接触，其中，低维材料为二维材料或一维材料。
铁电薄膜103具有铁电极化效应，且极化翻转特性受背栅电极102调控。
根据本发明实施例，对光激励和电调控协同作用下的光电调控神经突触晶体管的结构进行重新设计并对材料进行优化，实现具有易调控、低功耗且易于与脉冲神经网络算法相兼容的类脑神经突触器件，基于该器件结构并行存储和运算以及自适应学习优势，进而从器件层面提升信息存储和图像识别的功能。
图2为本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的制备方法流程图。
在本发明的另一个实施例中，如图2所示，提供了一种光电调控神经突触晶体管的制备方法，包括操作S201～S206。
在操作S201，在衬底101上光刻背栅电极102的图形，并通过电子束蒸发或者磁控溅射，结合剥离的方式制备背栅电极102。
本实施例中，衬底101为绝缘衬底101，衬底101的材料包括但不限于高阻硅/二氧化硅复合衬底101、蓝宝石、金刚石、碳化硅、氮化镓或柔性衬底101材料；背栅电极102的图形的平面结构为T型，满足光学光刻或电子束光刻条件；背栅电极102的材料包括但不限于钨金属、氮化钛、金、铂或氧化铟锡。
在操作S202，在底电极上通过原子层沉积或者旋涂凝胶等方式制备铁电薄膜103；其中，具体实现方式根据铁电材料的性质决定，同时，需要保证铁电材料优良的铁电极化特性。
本实施例中，铁电薄膜103的材料包括但不限于掺杂硅/锆/钇/铝的氧化铪、锆钛酸铅、二元聚偏氟乙烯或铋层状钙钛矿，其中，掺锆的氧化铪需要通过退火的方式激活其铁电性。
在操作S203，在铁电薄膜103上侧采用所述低维材料通过转移技术、气相沉积技术或旋涂技术等方式制备沟道层104；其中，具体实现方式根据沟道材料的性质来决定，例如，二硫化钼等二维材料采用商用大面积CVD生长的材料通过从原基底上通过转移方式转移到目标样品基底上。
本实施例中，铁电薄膜103的材料包括但不限于掺杂硅/锆/钇/铝的氧化铪、锆钛酸铅、二元聚偏氟乙烯或铋层状钙钛矿。
在操作S204，在沟道层104上侧制备光增透层105；其中，具体的制备方法依据光增透层105材料的性质来确定，例如，采用氧化铝介质层的制备采用先电子束蒸发一层铝，自然氧化后通过原子层沉积的方法进行氧化铝透明薄膜的制备，以提高对光的敏感性。
本实施例中，光增透层105的材料包括但不限于高增透的氧化物介质材料或者具有较高光吸收的量子点材料。
在操作S205，在光增透层105两端分别光刻出源电极106和漏电极107；其中，源漏电极107与沟道形成良好的欧姆接触，为增加探测光的探测面积可以光刻出叉指电极结构，具体制备方法根据电极材料性质确定，例如，金属电极制备采用且不限于溅射或者电子束蒸发的方式，石墨烯电极采用转移或者等离子增强化学沉积方式生长垂直石墨烯的方式予以实现。
本实施例中，源电极106和漏电极107的材料包括但不限于石墨烯、金钛合金、金铂合金、氧化铟锡或金铬合金。
指的说明的是，在光电调控神经突触晶体管的制备过程中，操作S204和操作S205可以根据实验的简便性和材料选择的不同进行顺序调换，例如，可以通过先进行源漏电极107的制备，再进行光增透膜的制备。
根据本发明实施例，沟道层104基于低维原子晶体材料制作，并通过光增透层105和沟道层104的光电特性，能够接收光脉冲信号，在光栅作用下，能够实现对视觉信号的接收和处理；同时，本发明利用铁电薄膜103的非易失特性，通过背栅电极102的栅压调控铁电薄膜103，实现铁电薄膜103极化向上和极化向下的翻转，进而实现对生物突触长程可塑性的模拟。
图3为本发明实施例提供的光电调控神经突触晶体管的光电调控方法流程图。
在本发明的又一个实施例中，如图2所示，提供了一种光电调控神经突触晶体管的光电调控方法，包括操作S301～S304。
在操作S301，源电极106和漏电极107通电后产生局域电场。
在操作S302，光增透层105接收光脉冲信号。
在操作S303，沟道层104在光脉冲信号的作用下产生光生载流子。
在操作S304，局域电场控制所述光生载流子的迁移，同时，铁电薄膜103在背栅电极102的调控下控制光生载流子的行为。
根据本发明实施例，在“光栅开关”和背栅调控下能够模拟出生物突触权重的可塑性。
图4为本发明实施例提供的基于低维材料为沟道，结合铁电材料的光电神经突触晶体管铁电栅的PE曲线示意图。
本实施例中，如图4所示，描述了不同扫描电压下铁电介质的铁电极化强度(纵坐标P)与所加电场强度(横坐标E)的曲线，当扫描电压范围较小时，器件的窗口较小，对应的剩余极化电荷密度较小，随着扫描电压范围的增加，器件的窗口随之增大。其中，不同的电压范围代表了不同的铁电膜状态。
根据本发明实施例，基于低维材料的沟道层104，铁电材料极化调控沟道电导，采用“光栅+电调制”神经突触器件具有传统“电读取，电调制”神经突触器件无法比拟的优势，其不仅具有传统忆阻器低能耗、非易失性等特性，而且还具有光作为信息载体进行信号处理带宽大、抗电磁干扰能力强的优势。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述晶体管由下至上依次包括衬底、背栅电极、铁电薄膜、沟道层和光增透层，所述光增透层两端分别设置有源电极和漏电极，其中，
所述沟道层的材料包括一层或多层低维材料，并且至少有一层低维材料与所述源漏电极接触，其中，所述低维材料为二维材料或一维材料；
所述铁电薄膜具有铁电极化效应，且极化翻转特性受所述背栅电极调控，所述铁电薄膜的材料包括掺杂硅/锆/钇/铝的氧化铪。
2.根据权利要求1所述的光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述衬底为绝缘衬底，所述绝缘的材料为高阻硅/二氧化硅复合衬底、蓝宝石、金刚石、碳化硅、氮化镓或柔性衬底材料。
3.根据权利要求1所述的光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述背栅电极形成于所述衬底上侧，所述背栅电极的材料为钨金属、氮化钛、金、铂或氧化铟锡。
4.根据权利要求1所述的光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述铁电薄膜的材料还包括：锆钛酸铅、二元聚偏氟乙烯或铋层状钙钛矿。
5.根据权利要求1所述的光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述沟道层的材料为硫化物和硒化物的二维原子晶体材料、石墨烯、碳纳米管或黑磷。
6.根据权利要求1所述的光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述光增透层的材料为高增透的氧化物介质材料或者具有较高光吸收的量子点材料。
7.根据权利要求1所述的光电调控神经突触晶体管，其特征在于，所述源电极和漏电极的材料为石墨烯、金钛合金、金铂合金、氧化铟锡或金铬合金。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的光电调控神经突触晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
在所述衬底上光刻所述背栅电极的图形；
在所述背栅电极的图形上通过电子束蒸发或磁控溅射，结合剥离的方式制备背栅电极；
在所述背栅电极的基底上通过原子层沉积或旋涂和溶胶凝胶的方式制备所述铁电薄膜；
在所述铁电薄膜上侧采用所述低维材料通过转移技术、气相沉积技术或旋涂技术制备所述沟道层；
在所述沟道层上侧制备光增透层；
在所述光增透层两端分别光刻出所述源电极和所述漏电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述背栅电极的图形的平面结构为T型。
10.一种如权利要求1-7任一项所述的光电调控神经突触晶体管的光电调控方法，其特征在于，包括：
所述源电极和所述漏电极通电后产生局域电场；
所述光增透层接收光脉冲信号；
所述沟道层在所述光脉冲信号的作用下产生光生载流子；
所述局域电场控制所述光生载流子的迁移，同时，所述铁电薄膜在所述背栅电极的调控下控制所述光生载流子的行为。
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