CN217387181U - 一种异质结晶体管型光模拟突触器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质结晶体管型光模拟突触器件及其制备方法，异质结晶体管型光模拟突触器件，包括沟道半导体层和光吸收层，所述沟道半导体层与光吸收层形成异质结；或包括沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层，所述沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层形成异质结。本发明采用恰当的异质结结构，有效促进光生载流子分离，可在低电压条件下工作。通过恰当的异质结界面将光吸收层的非平衡载流子转移到光电晶体管沟道中，利用内部放大作用实现高的光增益，因此，内部放大作用可以导致在极低的光照(能耗)下实现光模拟突触。能在较低电压和低光照强度下工作，节省能量。使用过程中，耗费单个光脉冲的能量极低。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，涉及一种异质结晶体管型光模拟突触器件及其制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，基于传统冯诺伊曼配置的运算体系并不能有效地解决高复杂性问题。相反，人脑不仅具有能耗低，自主学习的优点，而且具备信息存储和处理过程高度并行的特点。神经元是大脑认知和信息处理的基本单位，突触作为连接两个神经元的基本结构，是学习和执行记忆功能的关键，以此为基础，设计突触电子器件来模拟类脑计算是十分必要的。目前大多数的突触装置是基于纯电刺激，这可能导致带宽有限和互连低效问题，而光信号具备超快传输和高带宽的优点，因此，探索光敏神经突触装置是非常必要的。到目前为止，许多突触器件可以用来模拟有效运作的大脑，其中，晶体管因其三端结构使得信号在学习过程中得以同步传输而具备明显优势。以氧化铟镓锌(Indium Gallium ZincOxide，IGZO)为代表的金属氧化物薄膜晶体管，因其优异性能，已被应用于液晶显示面板中。此外，由于氧空位等缺陷的存在，金属氧化物薄膜晶体管具备持续光电导效应，使其具备成为光敏神经突触器件的可能性。但是，由于氧化物带隙较大，对应光的吸收波长一般集中在紫外光波段，且随着波长的增加，吸收系数呈下降趋势，氧化物晶体管作为光敏神经突触不具备明显优势，导致能耗较高。且现有的器件结构和制备工艺相对复杂，实现光模拟突触的单个光脉冲所需能量还较高，响应波长范围窄。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种异质结晶体管型光模拟突触器件及其制备方法。该器件利用光吸收层与沟道半导体层形成的异质结或沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层形成异质结，直接将光照射产生的电子/空穴注入沟道半导体层。由于载流子的注入，会使漏源电极间的光电流显著增加，由于沟道材料的光电流延迟效应，从而实现光模拟突触。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种异质结晶体管型光模拟突触器件，包括沟道半导体层和光吸收层，所述沟道半导体层与光吸收层形成异质结；
或包括沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层，所述沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层形成异质结。
进一步地，当所述沟道半导体层与光吸收层形成异质结时，其包括衬底，所述衬底上设置有栅电极，所述栅电极上设置有介电层，所述介电层上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述源电极、漏电极以及介电层剩余区域上均设置有沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的，所述沟道半导体层上设置有光吸收层；或包括衬底，所述衬底上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述衬底的剩余区域上设置有光吸收层，所述光吸收层位于所述源电极和漏电极之间，所述源电极、漏电极和光吸收层上设置有沟道半导体层，所述沟道半导体层上设置有介电层，所述介电层上设置有栅电极；
当所述沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层形成异质结时，其包括衬底，所述衬底上设置有栅电极，所述栅电极上设置有介电层，所述介电层上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述源电极、漏电极以及介电层剩余区域上均设置有沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的，所述沟道半导体层上设置有电荷传输层，所述电荷传输层上设置有光吸收层。
进一步地，当所述光吸收层为最外层时，所述光吸收层上设置有保护层。
进一步地，所述栅电极、漏电极和源电极由金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、重掺杂半导体材料中的一种或多种制成；
优选地，所述重掺杂半导体材料包括重掺杂硅、重掺杂锗。
进一步地，所述沟道半导体层由氧化锡、氧化锌、铟镓氧化锌、二硫化钼、碘化铅、卤素钙钛矿半导体材料中的一种或多种制成；
或所述沟道半导体层由有机半导体材料中的一种或多种构成；优选地，所述有机半导体材料包括3-己基噻吩的聚合物(P3HT)、5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene、2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-B]苯并噻吩、poly(3,3-didodecylquarterthiophene)。
进一步地，所述光吸收层的材料包含非晶硅、单晶硅、多晶硅、非晶硒、氧化铅、硫化铅、碘化汞、甲氨碘化铅、锑锌镉(CZT)、铯铅碘、铯铅溴、混合阳离子/阴离子无机卤素钙钛矿中的一种或多种；优选地，所述混合阳离子/阴离子无机卤素钙钛矿包括铯甲胺铅碘、铯甲胺铅碘溴；
或所述光吸收层由有机半导体材料中的一种或几种构成；优选地，所述有机半导体材料包括3-己基噻吩的聚合物(P3HT)、5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene、2,7-二辛基[1] 苯并噻吩并[3,2-B]苯并噻吩、poly(3,3-didodecylquarterthiophene)、富勒烯衍生物。
上述任一所述的异质结晶体管型光模拟突触器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上的表面依次制备栅电极和介电层；
2)在介电层上的部分区域分别制备源电极和漏电极；
3)在源电极、漏电极以及介电层剩余区域上沉积沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的；
4)在沟道半导体层上制备光吸收层；
或1)在衬底上的部分区域分别制备源电极和漏电极；
2)在衬底的剩余区域上制备光吸收层，所述光吸收层位于所述源电极和漏电极之间；
3)在源电极、漏电极和光吸收层上沉积沟道半导体层；
4)在沟道半导体层上制备介电层；
5)在介电层上制备栅电极；
或1)在衬底上的表面依次制备栅电极和介电层；
2)在介电层上的部分区域分别制备源电极和漏电极；
3)在源电极、漏电极以及介电层剩余区域上沉积沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的；
4)在沟道半导体层上制备电荷传输层；
5)在电荷传输层上制备光吸收层。
进一步地，所述在衬底上制备栅电极采用热蒸发或溅射镀膜法工艺；
优选地，在栅电极上制备介电层采用薄膜沉积工艺；更优选地，所述薄膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂；
优选地，在介电层上制备源电极和漏电极采用热蒸发或溅射镀膜法工艺，然后利用光刻或掩膜技术形成所需电极图案；
优选地，在源电极、漏电极以及介电层剩余区域上沉积沟道半导体层采用膜沉积工艺；更优选地，所述膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂；
优选地，在沟道半导体层上制备光吸收层采用薄膜沉积工艺；更优选地，所述薄膜沉积工艺包括旋涂、刮涂、溅射、热蒸发；
优选地，在衬底上的部分区域分别制备源电极和漏电极采用热蒸发或溅射镀膜法工艺，然后利用光刻或掩膜技术形成所需电极图案；
优选地，在衬底的剩余区域上制备光吸收层采用薄膜沉积工艺；更优选地，所述薄膜沉积工艺包括旋涂、刮涂、溅射、热蒸发；
优选地，在源电极、漏电极和光吸收层上沉积沟道半导体层采用膜沉积工艺；更优选地，所述膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂；
优选地，在沟道半导体层上制备介电层采用薄膜沉积工艺；更优选地，所述薄膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂；
优选地，在介电层上制备栅电极采用热蒸发或溅射镀膜法工艺；
优选地，所述在衬底上制备栅电极采用热蒸发或溅射镀膜法工艺；
优选地，在栅电极上制备介电层采用薄膜沉积工艺；更优选地，所述薄膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂；
优选地，在介电层上制备源电极和漏电极采用热蒸发或溅射镀膜法工艺，然后利用光刻或掩膜技术形成所需电极图案；
优选地，在源电极、漏电极以及介电层剩余区域上沉积沟道半导体层采用膜沉积工艺；更优选地，所述膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂；
优选地，在沟道半导体层上制备电荷传输层具体为n-型富勒烯，氧化钛，氧化锡；
优选地，在电荷传输层上制备光吸收层采用薄膜沉积工艺；更优选地，所述薄膜沉积工艺包括旋涂、刮涂、溅射、热蒸发。
进一步地，当所述光吸收层为最外层时，还包括在吸收层上制备保护层。
进一步地，所述在光吸收层上制备保护层采用膜沉积工艺；
优选地，所述膜沉积工艺包括蒸镀、溅射、旋涂、刮涂。
本发明异质结晶体管型光模拟突触器件基于的原理是：光吸收层产生非平衡载流子，在沟道半导体层与光吸收层形成异质结或光吸收层、电荷传输层和沟道半导体层所形成异质结的作用下，使得器件受光照射时所产生的电子-空穴对迅速分离，并且使载流子注入沟道半导体层中，使得沟道半导体层中的载流子浓度增大，有效增大光电流，提高光模拟突触器件的光电特性，从而提高本发明光电子注入型光模拟突触器件的灵敏度。特别是，采用高迁移率的半导体材料制备沟道半导体层，器件的响应速度得到有效增大。
本发明的有益效果：采用恰当的异质结结构，有效促进光生载流子分离，因为晶体管的内部放大作用，不用加高压也能产生较大的信号，可在低电压条件下工作。通过恰当的异质结界面将光吸收层的非平衡载流子转移到光电晶体管沟道中，利用内部放大作用实现高的光增益，因此，晶体管的放大作用，在相同的光照下，能够注入更多的电子，产生更大的电流，产生更大的“突触响应”，内部放大作用可以导致在极低的光照(能耗)下实现光模拟突触。通过结合不同带隙的吸光材料能够实现不同波段下的光模拟突触。器件结构简单，便于制备。能在较低电压和低光照强度下工作，节省能量。由于：1)晶体管的放大作用可以使器件在更低的电压条件下工作，因此电能耗较低。2晶体管的放大作用可以放大信号，可以在更低的光刺激作用下产生更大的“突触响应”，因此，光能耗更低。使用过程中，耗费单个光脉冲信号消耗的能量极低。
附图说明
图1为本发明异质结晶体管型光模拟突触器件的其中一种截面示意图；
图2为本发明异质结晶体管型光模拟突触器件的其中一种截面示意图；
图3为本发明异质结晶体管型光模拟突触器件的其中一种截面示意图；
图4为本发明异质结晶体管型光模拟突触器件的其中一种截面示意图；
图5为本发明异质结晶体管型光模拟突触器件的其中一种截面示意图；
图6为本发明实施例中异质结晶体管型光模拟突触器件在光照条件下等效电路图；
图7为本发明实施例中异质结晶体管型光模拟突触器件对632nm波长的光脉冲的响应示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
以底栅底接触无电荷传输层为例进行详细说明，即如图1和2所示，图1中其包括衬底，所述衬底上设置有栅电极，所述栅电极上设置有介电层，所述介电层上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述源电极、漏电极以及介电层剩余区域上均设置有沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的，所述沟道半导体层上设置有光吸收层；图2中其包括衬底，所述衬底上设置有栅电极，所述栅电极上设置有介电层，所述介电层上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述源电极、漏电极以及介电层剩余区域上均设置有沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的，所述沟道半导体层上设置有光吸收层，所述光吸收层上设置有保护层。
衬底可选用单晶硅片，玻璃或者塑料材质。
沟道半导体层由氧化锡、氧化锌、铟镓氧化锌、二硫化钼、碘化铅、卤素钙钛矿半导体材料中的一种或多种制成；或所述沟道半导体层由有机半导体材料中的一种或多种构成；优选地，所述有机半导体材料包括3-己基噻吩的聚合物、 5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene、2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-B]苯并噻吩、 poly(3,3-didodecylquarterthiophene)。
本实施例的晶体管型光模拟突触器件，通过光吸收层和沟道半导体层建立起的异质结，形成内建电场，该电场使得光作用吸收层产生的电子空穴对迅速分离，使得载流子被内建电场注入到沟道半导体层中。能够有效增大光电流，提高晶体管型光模拟突触器件的光电特性，从而增强光的灵敏度，降低单个光脉冲所需要的能量。同时，由于沟道半导体层所选用的材料具有较大的迁移率和光电荷延迟效应，使得本发明具有较好的突触模拟效果。
该实施例中异质结晶体管型光模拟突触器件在光照条件下等效电路图如图6所示，可见本发明可等效为光吸收层-沟道半导体层之间形成的二极管与薄膜晶体管的集成器件。当光照射时，会使得光吸收层中载流子浓度增大，电子会在异质结内建电场的作用下被注入到薄膜晶体管的导电沟道中，改变薄膜晶体管的电流大小，起到光传感器作用。当栅电极及源电极加上合适栅偏压，且薄膜晶体管器件的输出电流小于一定值时，该实施例所述器件处于关闭状态；当输出电流大于或等于一定值时，该实施例所述器件处于开启状态，可起到开关的作用。例如，在实际电路中，可设定当该薄膜晶体管器件输出电流小于1nA时，该薄膜晶体管器件处于关闭状态，当薄膜晶体管器件输出电流大于或等于1nA时，该薄膜晶体管器件处于开启状态。
该实施例中异质结晶体管型光模拟突触器件的制备：采用热氧化法在N++硅片上制备 100nm的二氧化硅，在二氧化硅表面采用真空溅射方法制备40nm的IGZO。采用蒸镀法制备铝电极。采用旋涂法在铝电极之间制备铯铅溴碘量子点薄膜。
当光照射该实施例的异质结晶体管型光模拟突触器件时，其沟道半导体层中电子浓度增大，输出电流增大。对不同光照射剂量得到的对应电流建立数据库，通过读出薄膜晶体管器件暴露在光下的电流强度，就可计算得到该环境下的光响应，此时的异质结晶体管型光模拟突触器件便起到光电传感器的作用。当异质结晶体管型光模拟突触器件的源电极，漏电极和栅电极施加一定偏压时，使得晶体管的输出电流迅速增大或减小，起到放大器的作用。该实施例中异质结晶体管型光模拟突触器件对632nm波长的光脉冲的响应示意图如图7所示，突触后膜的激发电流随着光脉冲数量的增加而增加。撤去光源后，突触后膜的激发电流缓慢下降，这与生物神经突触的功能类似。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，包括沟道半导体层和光吸收层，所述沟道半导体层与光吸收层形成异质结；
或包括沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层，所述沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层形成异质结；
当所述沟道半导体层与光吸收层形成异质结时，其包括衬底，所述衬底上设置有栅电极，所述栅电极上设置有介电层，所述介电层上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述源电极、漏电极以及介电层剩余区域上均设置有沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的，所述沟道半导体层上设置有光吸收层；或包括衬底，所述衬底上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述衬底的剩余区域上设置有光吸收层，所述光吸收层位于所述源电极和漏电极之间，所述源电极、漏电极和光吸收层上设置有沟道半导体层，所述沟道半导体层上设置有介电层，所述介电层上设置有栅电极；
当所述沟道半导体层、电荷传输层和光吸收层形成异质结时，其包括衬底，所述衬底上设置有栅电极，所述栅电极上设置有介电层，所述介电层上的部分区域分别设置有源电极和漏电极，所述源电极、漏电极以及介电层剩余区域上均设置有沟道半导体层，所述源电极和漏电极上的沟道半导体层以及介电层剩余区域上的沟道半导体层是一体化的，所述沟道半导体层上设置有电荷传输层，所述电荷传输层上设置有光吸收层。
2.根据权利要求1所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，当所述光吸收层为最外层时，所述光吸收层上设置有保护层。
3.根据权利要求1所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述栅电极、漏电极和源电极由金、银、铜、铝、钼、镍、氧化铟锡、氧化铟锌、透明导电塑料、重掺杂半导体材料中的一种制成。
4.根据权利要求3所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述重掺杂半导体材料为重掺杂硅或重掺杂锗。
5.根据权利要求1所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述沟道半导体层由氧化锡、氧化锌、铟镓氧化锌、二硫化钼、碘化铅、卤素钙钛矿半导体材料中的一种制成；或所述沟道半导体层由有机半导体材料中的一种构成。
6.根据权利要求5所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述有机半导体材料为3-己基噻吩的聚合物、5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene、2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-B]苯并噻吩或poly(3,3-didodecylquarterthiophene)。
7.根据权利要求1所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述光吸收层的材料为非晶硅、单晶硅、多晶硅、非晶硒、氧化铅、硫化铅、碘化汞、甲氨碘化铅、锑锌镉、铯铅碘、铯铅溴、混合阳离子/阴离子无机卤素钙钛矿中的一种；或所述光吸收层由有机半导体材料中的一种构成。
8.根据权利要求7所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述混合阳离子/阴离子无机卤素钙钛矿为铯甲胺铅碘或铯甲胺铅碘溴。
9.根据权利要求7所述的异质结晶体管型光模拟突触器件，其特征在于，所述有机半导体材料为3-己基噻吩的聚合物、5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene、2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-B]苯并噻吩、poly(3,3-didodecylquarterthiophene)或富勒烯衍生物。
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