一种铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
场效应晶体管电子技术领域，尤其是一种基于有机铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法。
背景技术
[0002] 传统数字计算机在自动控制、
模式识别、联想记忆及
信号处理等领域表现出不足，因此，急需寻找一种突破原有体系的技术从而实现快速、轻便、低功耗的
硬件，模仿人类大脑，开发神经形态计算机是科学家寻求突破的方向。人类大脑每个神经元通过突触与成千上万个神经元进行连接，并采用分布式和并发式的方式传导信号，弥补了单神经元处理速度的不足。神经元突触之间的连接强度可以通过突触前神经元与后神经元相对的脉冲时间来进行调节，这是人脑进行计算、学习、记忆的
生物学
基础。
[0003] 目前，实现神经形态计算主要基于
软件和基于硬件的方法，基于软件的方法，如最近战败人类围棋冠军的AlphaGo，实质上是工作在传统数字计算机上的基于
深度学习算法的程序，因此这种方法也是高耗能的，从长远来看并不是实现神经形态计算的理想方案；而基于硬件的方法，从底层构建一个可比拟突触和神经元功能的电子器件，并用此来构建神经形态计算系统，这种方法可以从物理层面实现类似大脑的大规模并行和高度可塑性，在实现神经形态计算方面具有巨大潜
力。这类方法的关键之一就是实现模拟生物突触的权重可以连续变化功能的人工突触固态电子器件。
[0004] 最近几年，在忆阻器基础上发展起来的“人工突触”器件引起了各国研究人员的广泛关注，忆阻器是一种具有记忆功能的非线性
电阻，通过外加
电场可以控制其阻值连续变化，这种忆阻效应可以有效地模拟生物突触连接权重的可塑性行为。将忆阻器作为电子突触应用到神经形态系统中，有望构建接近于人脑的高集成度神经形态系统的仿脑芯片。
[0005]
现有技术的忆阻器研究主要集中于无机绝缘材料，这些无机绝缘材料的忆阻机理主要是基于材料内部的阴、阳离子移动。因为离子在不均匀电场的驱动下的移动进一步增加电场的不均匀性，导致这类忆阻器的性能具有非常差的重复性以及不同器件之间糟糕的均匀性。这极大地限制了忆阻器在
电路集成方面的发展，因此探索高速率、高
稳定性、高重复性的新型忆阻器器件非常重要。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法，采用聚偏氟乙烯基铁电
聚合物材料为栅介质材料，以二维
半导体作为导电
沟道制备三端场效应晶体管，将铁电材料引入传统场效应晶体管结构，形成铁电极化调控的人工突触结构，基于铁电极化动力学在电场下的响应，实现器件的超低功耗、高稳定性、高重复性及完全
电信号控制的铁电突触器件。聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料的铁电极化状态可以通过外电场进行连续调控，在不同极化状态下的极化电场改变二维半导体沟道的载流子浓度，进而引起二维半导体沟道的电导率的连续变化，其电导率可以被极化场进行五个数量级的调控，聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料的极化状态是非挥发性的，高度可控，保持性和疲劳特性优异，极化反转的功耗低，并且具有很好的抗
辐射特性，基于聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料
薄膜和二维半导体的铁电晶体管可以实现一种新型的人工突触器件，具有更好重复性、稳定性以及更低的能耗，实现了二维半导体铁电场效应结构在人工电子突触领域的广泛应用。
[0007] 本发明的具体技术方案是：一种铁电极化调控的人工突触器件，其特点是该人工突触器件由衬底上依次制备的
氧化物层、二维半导体层、源/漏电极、铁电功能层和栅电极组成，所述衬底为重掺杂的p-Si材料制备，且单面
抛光，其厚度为0.5mm；所述氧化物层为SiO2层，其厚度为270~300 nm；所述二维半导体为MoS2或WSe2过渡金属硫族化合物涂层，其厚度为2 10分子层；所述源/漏电极为Cr/Au
镀层，其Cr镀层厚度为5 10 nm，Au镀层厚度为~ ~30 50 nm；所述铁电功能层为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，其厚度为100 300 nm；所述栅~ ~
电极为Al镀层，其厚度为15 30 nm。
~
[0008] 一种基于有机铁电的突触器件的制备方法，其特点是该突触器件的制备包括以下步骤：（一）氧化物层的制备
在重掺杂的p-Si材料的衬底上通
过热氧化法制备的
二氧化硅层为氧化物层，其厚度为
285±15 nm。
[0009] （二）二维半导体层的制备 采用机械剥离转移方法将过渡金属硫族化合物转移至氧化物层的SiO2表面为二维半导体层，其厚度为270 300 nm。
~
[0010] （三）源/漏电极的制备 采用紫外
光刻技术或者
电子束曝光技术，结合热
蒸发及lift-off工艺在制备源漏电极，形成背栅结构过渡金属硫族化合物二维半导体场效应结构器件，其电极为铬、金，厚度分别为5 10nm，30 50nm。
~ ~
[0011] （四）铁电功能层的制备在制备好的背栅器件上运用
旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在135℃
温度下
退火2 4小时，保证功能层的结晶特性，聚偏氟乙烯基铁电功能层的厚度为100 300nm。
~ ~
[0012] （五）金属顶栅电极的制备在铁电功能层上通过光刻及
刻蚀方法获得特定图形电极结构，制备半透明或透明的
铝层为金属顶栅电极，其厚度为15 20 nm。
~
[0013] 本发明与现有技术相比具有以下优点：1）较好的利用了P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料不同极化所产生的不同局域电场来调控沟道中载流子，实现基于完全电信号调控的突触器件，提高了电子突触器件的稳定性和重复性；
2）采用极小栅极漏
电流占据了大部分的
能量消耗，因此突触器件具有超低功耗的特点(小于1fJ)；
3）突触器件的疲劳特性良好，可以在10Hz的
频率下工作十年之久，具有寿命长的优点。
附图说明
[0014] 图1为本发明的突触器件结构示意图；图2为
实施例1的PVDF-MoS2转移曲线图；
图3为实施例2的PVDF-WSe2转移曲线图；
图4为实施例1制备的突触器件疲劳特性。
具体实施方式
[0015] 参阅附图1，本发明
自下而上依次为衬底1、氧化物层2、二维半导体层3、源/漏电极4、铁电功能层5和栅电极6，所述衬底1为重掺杂的p-Si材料制备，且单面抛光，其厚度为0.5 mm；所述氧化物层2为重掺杂的p-Si的衬底1上形成的SiO2层，其厚度为270~300 nm；所述二维半导体3为SiO2层上旋涂的MoS2或WSe2过渡金属硫族化合物涂层，其厚度为2 10分子层；
~
所述源/漏电极4为过渡金属硫族化合物涂层上沉积的Cr/Au镀层，其Cr镀层厚度为5 10 ~
nm，Au镀层厚度为30 50 nm；所述铁电功能层5为Cr/Au镀层上旋涂的聚偏氟乙烯薄膜，其厚~
度为100 300 nm；所述栅电极6为透明或半透明的Al镀层，其厚度为15 30 nm。
~ ~
[0016] 本发明制备是在衬底1的SiO2上制备过渡金属硫族化合物的二维半导体层3，运用紫外光刻或电子束光刻的方法结合剥离工艺制备金属电极作为半导体沟道的源/漏电极4，然后在该结构上制备聚偏氟乙烯的有机铁电薄膜为铁电功能层5，随后在有机铁电薄膜上制备半透明或透明的栅电极6，形成铁电极化调控的人工突触结构。器件首先需要通过在栅极施加连续变化的电信号来极化有机铁电材料，进而调控二维半导体沟道背景载流子，然后在源极和漏极间施加一微小
电压，通过测量在不同栅压下源
漏电流的变化，此即突触权重的连续变化，实现突触权重的连续更新规则。该人工突触通过纯电学信号调控，因此具有非常好的可控性和一致性。同时，该人工具有超低功耗(小于1fJ)、寿命长(10Hz生物脑工作频率下工作约10年)等突出优点。这些特性使得该有机铁电晶体管突触非常有前景，可以促使大规模的神经结构网络模拟人类大脑，并启发人脑算法网络中的大规模并行性和低功耗操作。
[0017] 通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0018] 实施例1按下述步骤制备基于有机铁电的人工突触器件：
1）衬底选取：选用厚度0.5mm的重掺杂p型硅为衬底1，并进行单面抛
光处理。
[0019] 2）氧化物介质层制备：在p型硅表面通过热氧化285nm厚度的
二氧化硅为SiO2/Si的氧化物层2。
[0020] 3）二维半导体转移制备：用
胶带将过渡金属硫族化合物的MoS2晶体采用机械剥离，将其转移至SiO2/Si的氧化物层2上，其MoS2厚度为三个分子层。
[0021] 4）金属源漏电极制备：采用紫外光刻方法制备电极图形，然后利用热蒸发技术制备铬为5nm、金为30nm的金属电极为源/漏电极4，结合lift-off方法，剥离金属膜后为源/漏电极4，获得沟道宽度为5um的背栅器件。
[0022] 5）铁电功能层制备：在制备好的背栅器件上采用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)薄膜，其厚度300 nm，然后在135 °C温度下退火4 小时，制得结晶特性的铁电功能层5。
[0023] 6）半透金属顶栅电极制备：通过光刻及刻蚀方法在铁电功能层5上获得特定的电极图形结构，然后采用热蒸发方法制备半透明的Al层，其厚度为15nm的Al电极为栅电极6。
[0024] 上述制备的人工突触器件在漏极和栅极间施加连续变化的电信号，使得P(VDF-TrFE)的铁电功能层5处于不同的极化状态，调控二维半导体沟道的背景载流子。突触器件工作时，源极漏极间通入微小恒定电压0.5V，检测电极两端电流，测量了不同栅压下二维半导体沟道的电响应特性，不同的电流变化相当于不同的突触权重值，从而实现铁电突触的权重连续更新。
[0025] 参阅附图2，上述制备的人工突触器件经转移特性测试，其曲线显示在不同栅压激励下单极性二维半导体MoS2沟道的电响应特性，沟道电导可被栅压进行连续的调控，相当于突触权值的连续更新。本发明除单极性的二硫化钼(MoS2)材料外，也可以采用双极的WSe2或MoTe2等材料，对于不同极性的栅极电压，可在双极性材料沟道中激励出不同类型的载流子，同时不同栅压大小用来调控沟道载流子浓度。
[0026] 参阅附图4a，上述制备的人工突触器件在不同栅压激励下单极性二维半导体MoS2沟道的电响应特性，沟道电导可被栅压进行四个数量级的调控。
[0027] 参阅附图4b，上述制备的人工突触器件经过107次极化完全反转循环后，在不同栅压激励下单极性二维半导体MoS2沟道的电响应特性，沟道电导可被栅压进行四个数量级的调控。
[0028] 参阅附图4c，上述制备的人工突触器件在100个栅电压脉冲激励下单极性二维半导体MoS2沟道的电响应特性，沟道电导可被连续调控。
[0029] 参阅附图4d，上述制备的人工突触器件经过107次极化完全反转循环后，在100个栅电压脉冲激励下单极性二维半导体MoS2沟道的电响应特性，沟道电导可被连续调控。器件依旧保持良好的性能，相当于器件可以在10Hz的工作频率下工作十年。
[0030] 实施例2按下述步骤制备基于有机铁电的人工突触器件：
1）衬底选取：选用厚度0.5mm的重掺杂p型硅为衬底1，并进行单面抛光处理。
[0031] 2）氧化物介质层制备：在p型硅表面通过热氧化285nm厚度的二氧化硅为SiO2/Si的氧化物层2。
[0032] 3）二维半导体转移制备：用胶带将过渡金属硫族化合物的WSe2晶体采用机械剥离，将其转移至SiO2/Si的氧化物层2上，其MoS2厚度为五个分子层。
[0033] 4）金属源漏电极制备：采用紫外光刻方法制备电极图形，然后利用热蒸发技术制备铬为5nm、金为30nm的金属电极，结合lift-off方法，剥离金属膜后为源/漏电极4，获得沟道宽度为5um的背栅器件。
[0034] 5）铁电功能层制备：在制备好的背栅器件上采用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)薄膜，其厚度300 nm，然后在135 °C温度下退火4 小时，制得结晶特性的铁电功能层5。
[0035] 6）半透金属顶栅电极制备：通过光刻及刻蚀方法在铁电功能层5上获得特定的电极图形结构，然后采用热蒸发方法制备半透明的Al层，其厚度为20nm的Al电极为栅电极6。
[0036] 上述制备的突触器件在漏极和栅极间施加连续变化的电信号，使得P(VDF-TrFE)的铁电功能层5处于不同的极化状态，调控二维半导体沟道的背景载流子。突触器件工作时，源极漏极间通入微小恒定电压0.5V，检测电极两端电流。测量了不同栅压下二维半导体沟道的电响应特性，不同的电流变化相当于不同的突触权重值，从而实现铁电突触的权重连续更新。
[0037] 参阅附图3，上述制备的突触器件经转移特性测试，其曲线显示在不同栅压激励下双极性二维半导体WSe2沟道的电响应特性，沟道电导可被栅压进行连续的调控，相当于突触权值的连续更新。同时不同的栅压极性可在WSe2沟道中激发出不同类型的载流子，相当于对突触增加一个维度的调控。
[0038] 以上仅为本发明的最佳实例，而非对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
