CN118136714A - 基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法涉及探测器技术领域，解决了现有触发突触器件制备难度大、质量控制难、成本高、不能同时响应两种及以上的信号的问题，包括：在基底上制备第一材料层；制备第二材料层，第二材料层和第一材料层构成异质结；第一材料层和第二材料层为缺陷态二维材料层和光敏二维材料层，缺陷态二维材料层为通过CVD原位生长制备得到、通过对二维材料层进行离子轰击制备得到、通过对二维材料层进行质子注入制备得到、或通过对二维材料层进行离子插层得到；制备源、漏电极。本发明克服传统电突触器件中高结晶、低缺陷材料制备难度高的问题，实现了利用偏压脉冲、栅压脉冲与光脉冲信号之间的耦合。
Description
技术领域
本发明涉及探测器领域，具体涉及基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法。
背景技术
在过去七十年，基于冯·诺依曼架构的计算和信息技术在各个领域都展示了极其重要的应用，然而随着以数据为中心的人工智能技术的兴起，传统计算系统的性能和工作量受到其离散性的限制，也即物理上分离的运算单元与内存单元之间频繁的数据传输，造成巨大的延迟和高功耗。“类脑运算”将处理单元和内存单元紧密交织在一起，被认为可以克服上述传统计算架构的缺陷，引起了广泛的关注。作为一种非冯·诺依曼架构，类脑运算解决了处理单元和内存单元分离的问题，减轻了总线带宽对系统计算效率和功耗等的影响。
“突触器件”是“类脑运算”的基础组成单元，是一种仿照人神经突触制造的器件，当前传统的电突触器件多采用高结晶、低缺陷材料制备，材料制备难度大。并且现有的突触器件大多只能对某一种脉冲信号(比如光脉冲、栅压脉冲或者偏压脉冲)有响应，不能识别多种信号，更不能同时响应两种及以上的信号，这使得突触器件不能更好的模拟某些生物现象。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法。
基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，包括：
步骤一、在基底上制备第一材料层；
步骤二、制备第二材料层，所述第二材料层连接第一材料层，第二材料层和第一材料层构成异质结；所述第一材料层和第二材料层分别为缺陷态二维材料层和光敏二维材料层，或者，分别为光敏二维材料层和缺陷态二维材料层；所述缺陷态二维材料层为通过CVD原位生长制备得到、通过对二维材料层进行离子轰击制备得到、通过对二维材料层进行质子注入制备得到、或通过对二维材料层进行离子插层得到；
步骤三、制备源、漏电极。
基于二维材料异质结的多信号触发突触器件，所述多信号触发突触器件通过基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法制备。
本发明的有益效果：
本发明通过CVD原位生长或者离子轰击、质子注入、离子插层等方式制作高缺陷态二维材料，克服传统电突触器件中高结晶、低缺陷材料制备难度高的问题。本发明将缺陷态二维材料层与光敏二维材料层结合，制作异质结，构建场效应晶体管器件，将二维材料本征优势与两者的高缺陷态和高光响应的优势结合，实现单一器件同时对于偏压脉冲、栅压脉冲、光脉冲的突触响应。通过对多种突触信号的响应，有效模拟生物突触。本发明实现了利用偏压脉冲、栅压脉冲与光脉冲信号之间的耦合，完成逻辑电路模拟、生物戒断反应模拟、巴普诺夫实验模拟等，扩宽了突触器件的应用范围，有效模拟生物突触的兴奋与抑制效应，短程、长程记忆，双易化脉冲，频率依赖性等。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法的流程图。
图2为本发明基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法实施例二的流程图。
图3为实施例二中光脉冲作用在多信号触发突触器件上的照射位置示意图。
图4为本发明基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法实施例三的流程图。
图5为本发明基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法实施例四的流程图。
图6为本发明多信号触发突触器件的突触兴奋效应示意图。
图7为本发明多信号触发突触器件的突触兴奋抑制示意图。
图8为本发明多信号触发突触器件的双易化脉冲现象示意图。
图9为本发明多信号触发突触器件的频率依赖性示意图。
图10为本发明基于二维材料异质结的多信号触发突触器件具有短程、长程记忆的示意图。
图11为本发明作用在多信号触发突触器件上不同栅极电压大小的响应电流变化示意图。
图12为在本发明的多信号触发突触器件上施加不同脉冲时产生突出电流的对比示意图。
具体实施方式
本发明通过以下步骤实现上述技术目的：
基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，如图1，包括：
步骤一、在基底上制备第一材料层；
步骤二、制备第二材料层，所述第二材料层连接第一材料层，第二材料层和第一材料层构成异质结；所述第一材料层和第二材料层分别为缺陷态二维材料层和光敏二维材料层，或者，分别为光敏二维材料层和缺陷态二维材料层；所述缺陷态二维材料层为通过CVD原位生长制备得到、或通过对二维材料层进行离子轰击制备得到、或通过对二维材料层进行质子注入制备得到、或通过对二维材料层进行离子插层得到；
步骤三、制备源、漏电极。
缺陷态二维材料层与光敏二维材料层之间的位置关系，包括但不限于垂直堆叠、水平堆叠、覆盖等。
实施例一
本实施例提供基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，该方法中第二材料层位于第一材料层上，可完全覆盖第一材料层，也可覆盖第一材料层的一部分。该方法包括如下步骤：
步骤一、在基底上制备第一材料层；
步骤二、在第一材料层上制备第二材料层，所述第二材料层连接第一材料层，第二材料层和第一材料层构成异质结；所述第一材料层和第二材料层分别为缺陷态二维材料层和光敏二维材料层，或者，分别为光敏二维材料层和缺陷态二维材料层；
步骤三、制备源、漏电极；具体为：采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在第二材料层上或者在第一材料层和第二材料层上制备源、漏电极。
基底通常采用具有SiO2的P型高掺杂硅片。光敏二维材料层和缺陷态二维材料层的二维材料包括但不限于黑磷、硫化钼、硒化铂等。
通过改变气体浓度、生长温度等使用化学气相沉积法在基底上生长缺陷态二维材料层。
通过化学、物理方式处理二维材料层，在内部添加缺陷态，以缺陷态二维材料用于制备突触器件。缺陷态二维材料层的制备方法包括但不限于下述三种：
方法一、制备二维材料层，通过质子注入对二维材料层进行缺陷态注入得到缺陷态二维材料层；
方法二、制备二维材料层，通过离子轰击对二维材料层进行缺陷态注入得到缺陷态二维材料层，得到缺陷态二维材料层可以为氧等离子体轰击或氩等离子体轰击；
方法三、制备二维材料层，通过对二维材料层进行离子插层得到缺陷态二维材料层；
方法四，采用CVD原位生长：通过改变气体浓度、生长温度等使用化学气相沉积法在基底或者光敏材料层上生长缺陷态二维材料层。
上述方法一、方法二和方法三中二维材料层的制备可以直接在基底上或者光敏材料层上制备，也可以是在其他衬底上制备后通过机械剥离、定向转移的方法将二维材料转移到基底上或者光敏材料层上。
本发明采用CVD原位生长或者氧等离子体轰击、氩等离子体轰击、质子注入插层等手段，为二维材料注入缺陷，构筑缺陷态二维材料，调控缺陷态俘获载流子行为。
实施例二
本实施例提供基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，其中第一材料层为缺陷态二维材料层，具体过程如图2所示：
准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪把硅片吹干，即得到基底；
通过改变气体浓度、生长温度等使用化学气相沉积法在硅片上生长缺陷态二维材料层；
通过机械剥离、定向转移的方法将光敏二维材料层转移到缺陷态二维材料层上方，构成异质结；
采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在缺陷态二维材料层上制备源电极、在光敏二维材料层上制备漏电极。
将光脉冲照射在第一材料层和第二材料层的正上方，如图3所示。
实施例三
本实施例提供基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，具体过程为：
如图4，准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪把硅片吹干；
通过机械剥离、定向转移的方法将二维材料层转移到硅片上方；
通过质子注入对二维材料进行缺陷态注入，得到缺陷态二维材料层；
通过机械剥离、定向转移的方法将光敏薄膜(光敏二维材料层)转移到缺陷态二维材料层上方，构成异质结；
采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在光敏二维材料层上制备源、漏电极。
实施例四
本实施例提供基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，其中第一材料层为光敏二维材料层具体过程为：
如图5，准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪把硅片吹干；
通过机械剥离、定向转移的方法将光敏二维材料层转移到硅片上方；
通过机械剥离、定向转移的方法将二维材料层转移到光敏二维材料层上方，构成异质结；
通过离子轰击对二维材料层进行缺陷态注入，得到缺陷态二维材料层；
采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在缺陷态二维材料层上制备源、漏电极。
实施例五
本实施例提供基于二维材料异质结的多信号触发突触器件，多信号触发突触器件由上述任意实施例的基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法所制备。
本发明通过CVD原位生长或者离子轰击、质子注入、离子插层等方式制作高缺陷态二维材料，克服传统电突触器件中高结晶、低缺陷材料制备难度高的问题。本发明将缺陷态二维材料层与光敏二维材料层结合，制作异质结，构建场效应晶体管器件，将二维材料本征优势与两者的高缺陷态和高光响应的优势结合，实现单一器件同时对于偏压脉冲、栅压脉冲、光脉冲的突触响应。通过对多种突触信号的响应，有效模拟生物突触。本发明实现利用偏压脉冲、栅压脉冲与光脉冲信号之间的耦合，完成逻辑电路模拟、生物戒断反应模拟、巴普诺夫实验模拟等，扩宽了突触器件的应用范围，有效模拟生物突触的兴奋与抑制效应，短程、长程记忆，双易化脉冲，频率依赖性等。
本发明的多信号触发突触器件能够模拟生物突触的兴奋与抑制效应，如图6和图7所示，在栅级、漏极或者光中的一种给予多信号触发突触器件一个脉冲刺激，多信号触发突触器件的SD两端的电流变大(兴奋)或者减小(抑制)。图6和图7纵坐标电流的单位分别为nA和μA，横坐标的时间单位均为秒。
双易化脉冲现象的表现如图8所示，栅级、漏极或者光其中一种给予器件一个脉冲刺激，器件的SD两端的电流连续变大(兴奋)或者连续变小(抑制)。图8(a)为使用光脉冲对器件进行的刺激的效果图，图8(b)是使用漏级脉冲对器件的响应，图8(a)为上面一部分代表施加的脉冲示意图，下一部分代表器件在两个脉冲刺激下的响应，其中的Δt表示两个脉冲之间的间隔时间(上升沿之间的时间)。
本发明的多信号触发突触器件频率依赖性(以突触兴奋举例)，如图9所示，栅级、漏极或者光其中一种给予器件相同个数、相同脉冲时间但是不同间隔(等效为不同频率)的脉冲刺激，器件的SD两端的电流变化与频率有很强的相关性，从图9中显然可知频率越高，电流变化越大。图9(a)为对器件给予不同频率光脉冲得到的突触电流曲线图，其中突触电流单位为nA，横坐标时间单位为s；图9(b)为光脉冲照射器件并在多频率下测得突触电流得到的拟合曲线，在器件上连续施加15个脉冲，A15/A1表示第15个脉冲的电流与第1个脉冲的电流的比值，频率f的单位为赫兹。
本发明的多信号触发突触器件具有短程、长程记忆，以突触兴奋举例，短程记忆的表现就是栅级、漏极或者光其中一种给予器件脉冲刺激后，器件的SD两端电流短时间(短程记忆)或者长时间(长程记忆)恢复到初始电流状态。一般比如给予一个脉冲刺激，器件电流很快恢复到初始状态(刺激前的状态)，但是给予100个脉冲刺激后，电流会变得很大，使得恢复到初始电流的时间更长，也就实现了短程记忆到长程记忆的转变。如图10所示，图10中4条曲线从下到上分别为给予器件5、10、15、30个脉冲，纵坐标突触电流单位为nA，横坐标单位为s。
本发明的多信号触发突触器件的信号之间的耦合作用。当栅压G、漏极D和光L这三种刺激两种或者以上组合刺激时，器件就会模拟生物的一些复杂功能，比如改变栅压大小，给器件相同的光脉冲信号，器件的响应电流会产生变化，这很好的模拟了生物的情绪变化对于反应的影响(栅压大小代表了心情的好坏)。在此示例性的给出改变栅极电压大小所对应的响应电流变化，如图11所示，图11中的3条曲线从下到上分别为-9V、-5V、-1V栅极电压，纵坐标突触电流单位为nA，横坐标单位为s。
图12为在本发明的多信号触发突触器件上施加不同脉冲时产生突出电流的对比示意图，其中纵坐标突触电流单位为nA，横坐标单位为s，对器件同时施加栅压脉冲与光脉冲，相对于只是施加光脉冲相比，器件的电流变大速度会减慢，这种现象可以模拟生物的戒断反应，比如光脉冲代表饮酒的欲望、栅压脉冲代表戒酒药，吃药会抑制喝酒的欲望，所有欲望上升速度会下降。当断药后(就是长方形框区域，没有施加栅压脉冲)饮酒的欲望又会快速上升。
以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、在基底上制备第一材料层；
步骤二、制备第二材料层，所述第二材料层连接第一材料层，第二材料层和第一材料层构成异质结；所述第一材料层和第二材料层分别为缺陷态二维材料层和光敏二维材料层，或者，分别为光敏二维材料层和缺陷态二维材料层；所述缺陷态二维材料层为通过CVD原位生长制备得到、通过对二维材料层进行离子轰击制备得到、通过对二维材料层进行质子注入制备得到、或通过对二维材料层进行离子插层得到；
步骤三、制备源、漏电极。
2.如权利要求1所述的基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，其特征在于，所述第二材料层位于第一材料层上。
3.如权利要求1所述的基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，其特征在于，所述离子轰击为氧等离子体轰击或氩等离子体轰击。
4.如权利要求1所述的基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法，其特征在于，所述步骤三具体为：采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在第二材料层上或者在第一材料层和第二材料层上制备源、漏电极。
5.基于二维材料异质结的多信号触发突触器件，其特征在于，所述多信号触发突触器件通过权利要求1至4中任意一项基于二维材料异质结的多信号触发突触器件的制备方法制备。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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