一种自选择修饰的互补性光突触晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自选择修饰的互补性光突触晶体管及其制备方法，属于面向神经形态计算应用的突触器件领域。本发明专利技术结合具有高光敏特性的卟啉和具有良好低维输运特性的围栅硅纳米线体系，同时通过利用氮化硅和氧化硅的亲疏水性差异，实现了卟啉在硅纳米线上的富集，从而提高光突触器件的灵敏度。此外针对目前光突触器件只能实现增强特性或者抑制特性的特点，通过卟啉与不同掺杂类型的硅纳米线的相互作用，可以实现具有互补特性的光突触特性，使得其有潜力运用到未来人工视觉神经网络中。

【技术实现步骤摘要】
一种自选择修饰的互补性光突触晶体管及其制备方法
本专利技术属于面向神经形态计算应用的突触器件领域，涉及一种基于卟啉和硅纳米线的具有自选择修饰特点的互补性光突触晶体管及其制备方法。
技术介绍
神经形态计算被认为是突破传统冯诺依曼瓶颈和实现真正的类生物计算的一种有效的途径。其中对于人工视觉网络的实现，目前主要是通过前端的光传感器阵列级联后端的计算和存储模块来实现。但是，这种实现方式存在硬件开销大和功耗高等问题。而基于光突触阵列的神经形态计算系统，则有望实现感存算一体化，节省硬件开销和功耗的同时，利用高带宽、高速和无串扰的光信号实现高性能的神经形态计算。但是目前很难在一种光敏材料上既实现光增强特性又实现光抑制特性，即光敏材料的电导只能随着光照时间的增强而单调地变化,无法实现双向的电导变化。然而，神经网络算法要求突触器件在误差反传播过程可以实现双向的权重更新，目前存在的光电突触主要是通过光增强和电抑制的方式实现电导值的双向更新。部分已经报道的少量的全光操作的光电突触是通过紫外光和红外光激发的氧化锌/硫化铅(ZnO/PbS)异质结或基于紫外光激发的含缺陷的黑磷(BlackPhosphorus,BP)二维材料的晶体管来工作，而基于紫外光和红外光的操作模式存在较大的硬件开销代价和高的成本，并且不利于其运用到工作在可见光波段的人工视觉神经网络。因此，开发一种基于可见光脉冲激励的且同时可以实现增强和抑制特性的互补性光突触晶体管是未来人工视觉神经网络所必需的。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供了一种基于卟啉和硅纳米线的自选择修饰的互补性光突触晶体管及其制备方法。通过结合具有高度光敏特性的卟啉层和良好低维输运特性的围栅硅纳米线实现高灵敏的光突触晶体管。此外，为了能够实现卟啉对硅纳米线的选择性修饰，设计了卟啉自选择修饰窗口，通过利用具有疏水性的Si3N4层和具有亲水性的SiO2层实现了硅纳米线对卟啉分子的富集。进一步地，通过光敏性的卟啉与不同掺杂类型的硅纳米线的相互作用的差异，即卟啉吸收来自硅纳米线的电子，使得N型纳米线沟道中的电子减少，P型纳米线沟道中的空穴增多，从而分别在N型纳米线和P型纳米线上实现抑制性和增强性的突触可塑性，这为搭建基于光突触晶体管的复杂的人工视觉神经网络提供了硬件基础。此外，由于有机分子层即卟啉层是最后一步修饰在硅纳米线上的，因而可以轻易地实现与CMOS电路的后端集成。本专利技术提供的基于卟啉和硅纳米线的自选择修饰的互补性光突触晶体管包括SOI衬底、纳米线沟道区、漏区、源区、栅氧化层、选择性修饰窗口区、背栅电极层、源漏金属引出线、氧化硅隔离层和氮化硅疏水层，其中，所述纳米线沟道区、源区、漏区形成于SOI衬底上，源区和漏区分别连接纳米线沟道区的两端；选择性修饰窗口区开在纳米线沟道区上方，在窗口区内，纳米线沟道区表面由内往外被栅氧化层和卟啉修饰物围绕；在器件与器件之间以岛隔离的方式形成器件隔离区；氧化硅隔离层覆盖源区、漏区和隔离区，源漏金属引出线通过氧化硅隔离层中的通孔分别连接源区和漏区；氧化硅隔离层之上覆盖氮化硅疏水层。上述互补性光突触晶体管中，所述纳米线沟道区的线宽优选为10～40nm。上述互补性光突触晶体管中，所述卟啉修饰物优选自磺酸基四苯基卟啉(TPPS)、四苯基钴卟啉(CoTPP)、四苯基锌卟啉(ZnTPP)和羟基卟啉(TPPOH)等。本专利技术还提供了上述基于卟啉和硅纳米线的自选择修饰的互补性光突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：1)将SOI衬底的表面硅膜减薄，减薄后的硅膜厚度决定了纳米线沟道区的高度；然后对SOI衬底的正面进行轻掺杂并退火激活杂质，为后续形成纳米线沟道区提供基础；对SOI衬底背面进行重掺杂并退火激活杂质，为后续形成背栅控制的欧姆接触提供基础；2)利用光刻技术图形化，刻蚀SOI衬底表面硅膜形成两端带源漏大扇出区域的纳米线型结构；3)对源区和漏区进行重掺杂，并退火激活杂质；4)热氧化形成围绕纳米线的栅氧化层；5)淀积氧化硅隔离层并进行表面平坦化，然后制作源漏的金属引出线；6)在基片正面淀积氧化硅并行表面平坦化，然后淀积氮化硅疏水层；在基片背面制备背栅电极层；7)通过光刻技术定义纳米线上方的选择性修饰窗口，在窗口内陷干法刻蚀再湿法腐蚀，使纳米线沟道区悬空，然后将卟啉溶液转移到窗口内，修饰在纳米线表面。对于N型光突触晶体管的制备，在步骤1)采用P型SOI衬底，并在正面进行N型轻掺杂，在背面进行N型重掺杂，在步骤3)对源区和漏区进行N型重掺杂；而对于P型光突触晶体管的制备，在步骤1)采用N型SOI衬底，并在正面进行P型轻掺杂，在背面进行P型重掺杂，在步骤3)对源区和漏区进行P型重掺杂。其中P型掺杂注入杂质为BF2+和B+等，N型掺杂注入杂质为As+和P+等，掺杂方法为本领域的常规技术手段，于此不再赘述。上述制备方法中，步骤2)具体包括：2a)在SOI衬底上旋涂无机负性光刻胶，如含氢硅酸盐类的HSQ(HydrogenSilsesquioxane)电子束胶，然后通过电子束光刻技术图形化无机负性光刻胶作为纳米线硬掩模；2b)旋涂有机正性光刻胶，通过紫外光刻技术图形化有机正性光刻胶作为源漏掩膜；2c)以纳米线硬掩模(无机胶)和源漏掩膜(有机胶)为混合掩膜，干法刻蚀硅膜形成两端带源漏大扇出区域的纳米线型结构；2d)去掉源漏掩膜，保留纳米线上方的硬掩膜。上述步骤3)对源漏进行重掺杂后去掉纳米线上方的硬掩膜；在步骤4)以热氧化的方式在纳米线四周生长致密的氧化硅薄层，作为栅氧化层。在上述步骤5)中，淀积氧化硅隔离层并对表面进行平坦化后，利用光刻技术定义源漏上方的通孔，以光刻胶为掩膜，干法刻蚀氧化硅隔离层至源漏形成通孔；淀积金属填充通孔并形成金属导电层，进行表面平坦化后利用光刻技术定义金属引出线，以光刻胶为掩膜，干法刻蚀金属导电层至氧化硅隔离层，形成金属引出线；最后去除光刻胶。在步骤5)淀积金属填充通孔时，以及步骤6)制备背栅电极层时，优选的，先淀积粘附层金属，可以选用Ti和Cr等，再淀积具有低电阻率和易刻蚀的金属，如可以选用Al、TiN和TaN等。上述步骤7)中，用光刻技术图形化光刻胶形成选择性修饰窗口的掩膜；利用光刻胶为掩膜，通过先干法刻蚀后湿法腐蚀至硅纳米线下的氧化硅层，使得纳米线悬空；配制一定浓度的卟啉溶液；将卟啉溶液转移至窗口内，将其放置于真空环境中去除多余的水分。其中，依据具体卟啉化合物的特性将其溶解于水、乙醇和氯仿等溶剂中配制卟啉溶液。上述步骤5)和6)中，淀积氧化硅隔离层和氮化硅疏水层的方法可以为低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等化学气相沉积方式。上述步骤5)和6)中淀积金属的方法可以选择磁控溅射(MagnetronSputtering)和金属蒸发沉积(MetalEvaporation)等物理气相沉积方法。进一步地，步骤7)中要控制好湿法腐蚀的腐蚀温度和腐蚀时间，可以选用具有稳定腐蚀速率的氧化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自选择修饰的互补性光突触晶体管，包括SOI衬底、纳米线沟道区、漏区、源区、栅氧化层、选择性修饰窗口区、背栅电极层、源漏金属引出线、氧化硅隔离层和氮化硅疏水层，其中，所述纳米线沟道区、源区、漏区形成于SOI衬底上，源区和漏区分别连接纳米线沟道区的两端；选择性修饰窗口区开在纳米线沟道区上方，在窗口区内，纳米线沟道区表面由内往外被栅氧化层和卟啉修饰物围绕；在器件与器件之间以岛隔离的方式形成器件隔离区；氧化硅隔离层覆盖源区、漏区和隔离区，源漏金属引出线通过氧化硅隔离层中的通孔分别连接源区和漏区；氧化硅隔离层之上覆盖氮化硅疏水层。/n

【技术特征摘要】
1.一种自选择修饰的互补性光突触晶体管，包括SOI衬底、纳米线沟道区、漏区、源区、栅氧化层、选择性修饰窗口区、背栅电极层、源漏金属引出线、氧化硅隔离层和氮化硅疏水层，其中，所述纳米线沟道区、源区、漏区形成于SOI衬底上，源区和漏区分别连接纳米线沟道区的两端；选择性修饰窗口区开在纳米线沟道区上方，在窗口区内，纳米线沟道区表面由内往外被栅氧化层和卟啉修饰物围绕；在器件与器件之间以岛隔离的方式形成器件隔离区；氧化硅隔离层覆盖源区、漏区和隔离区，源漏金属引出线通过氧化硅隔离层中的通孔分别连接源区和漏区；氧化硅隔离层之上覆盖氮化硅疏水层。


2.如权利要求1所述的互补性光突触晶体管，其特征在于，所述纳米线沟道区的线宽为10～40nm。


3.如权利要求1所述的互补性光突触晶体管，其特征在于，所述卟啉修饰物选自磺酸基四苯基卟啉、四苯基钴卟啉、四苯基锌卟啉和羟基卟啉。


4.权利要求1～3任一所述的互补性光突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)将SOI衬底的表面硅膜减薄，减薄后的硅膜厚度决定了纳米线沟道区的高度；然后对SOI衬底的正面进行轻掺杂并退火激活杂质，为后续形成纳米线沟道区提供基础；对SOI衬底背面进行重掺杂并退火激活杂质，为后续形成背栅控制的欧姆接触提供基础；
2)利用光刻技术图形化，刻蚀SOI衬底表面硅膜形成两端带源漏大扇出区域的纳米线型结构；
3)对源区和漏区进行重掺杂，并退火激活杂质；
4)热氧化形成围绕纳米线的栅氧化层；
5)淀积氧化硅隔离层并进行表面平坦化，然后制作源漏的金属引出线；
6)在基片正面淀积氧化硅并行表面平坦化，然后淀积氮化硅疏水层；在基片背面制备背栅电极层；
7)通过光刻技术定义纳米线上方的选择性修饰窗口，在窗口内陷干法刻蚀再湿法腐蚀，使纳米线沟道区悬空，然后将卟啉溶液转移到窗口内，修饰在纳米线表面。

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【专利技术属性】
技术研发人员：黎明，李小康，于博成，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11