一种仿生突触晶体管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种仿生突触晶体管及其制备方法和应用，所述仿生突触晶体管包括自下而上依次层叠设置的衬底、源电极和漏电极、沟道层、电荷俘获

【技术实现步骤摘要】
一种仿生突触晶体管及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及微电子器件
，尤其涉及一种仿生突触晶体管及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前对大数据处理的需求在飞速增长，当前的数字计算依赖于冯
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诺依曼(Von Neumann)架构，它利用常规晶体管作为逻辑主干，一个逻辑电路组件仅直接连接到少数几个其它的组件，该架构在并行处理数据方面的劣势逐渐成为了当前大数据计算应用技术的瓶颈。解决这一问题的主要方法之一是开发基于非冯
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诺依曼架构的高度并行计算电路。
[0003]研究发现，在生物的大脑中，神经系统是一种效率非常高的信息处理系统，它不仅消耗的功率非常低而且高度并行，往往一个神经元可以突触连接到数千个其它神经元。其中神经元之间的信息传递依赖于突触结构的工作机制：来自前突触神经元不同强度的电信号转化成名为神经递质的化学信号，经过突触间隙后，神经递质又会与后突触神经元结合，重新产生响应强度的生物电信号，同时每个神经元可以根据记忆的突触强度选择要传输的信息。基于这种来自生物神经系统的灵感，研究人员提出了由大量人工突触晶体管组成的硬件神经网络(HW
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NN)计算技术。在HW
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NN中，与常规逻辑电路不同，一个突触晶体管可直接连接到大量的其它突触器件，形成信息传递的高度互联网络，以高度并行的模式处理数据。近些年来，突触晶体管作为HW
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NN中的最基本元器件，逐渐成为了人工智能领域的研究重点。
[0004]MXene是一类2D金属碳化物，碳氮化物或氮化物，其基本结构由2
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5层过渡金属和碳/氮层所组成；它们具有出色的物理和化学性质，例如金属导电性，水溶性，高光学透明性(>97％/nm)，近些年受到了越来越多的研究关注。自2011年发现Ti3C2T
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结构的MXene以来，这种MXene及其衍生物已在各种应用中表现出卓越的性能，例如储能，电子，EMI屏蔽，传感器，水净化和脱盐。
[0005]MXene材料中Ti3C2T
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表面的亲水性官能团(O，OH和F)与导电核的结合使Ti3C2T
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的MXene成为第一种无需任何表面活性剂的帮助的水溶性2D导电材料。在空气中，MXene纳米片的边缘和缺陷处会发生不可逆的氧化，这导致MXene逐渐转化为TiO2和无定形碳，这种氧化限制了Ti3C2T
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类MXene的寿命。
[0006]CN112397392A公开了一种仿生突触晶体管及其制备方法，包括：S1、提供衬底，在衬底的一表面形成源电极和漏电极；S2、制备沟道层前驱体水溶液，并在源电极、漏电极和衬底上旋涂形成沟道层；S3、制备电荷俘获
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隧穿层前驱体水溶液，并在沟道层上旋涂形成电荷俘获
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隧穿层；S4、制备铁电绝缘层前驱体水溶液，并在电荷俘获
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隧穿层上旋涂形成铁电绝缘层；S5、在铁电绝缘层上表面形成栅电极，得到仿生突触晶体管。整个制备工艺可在非真空大气条件下进行，并且温度不超过300℃，属于低温工艺，工艺简单，无需传统意义上的光刻与真空镀膜，可大幅减少制备时长，生产成本较低，得到的仿生突触晶体管基于可在感受器、存储器和人工智能领域中有重要应用潜力。
[0007]CN112201696A公开了一种自驱动摩擦纳米发电突触晶体管，包括摩擦纳米发电机和突触晶体管，其包括衬底；形成在衬底上的电极层；形成在电极层上的共享中间层；形成在共享中间层上的突触晶体管有源层、源电极和漏电极；以及形成在共享中间层上的正摩擦层和负摩擦层，共享中间层作为突触晶体管的介电层以及摩擦纳米发电机的中间层，提升了摩擦纳米发电机的输出电压并能够实现为突触晶体管的突触功能，电极层作为摩擦纳米发电机的输出电极以及突触晶体管的栅电极，结构简单，轻便且柔性，摩擦正摩擦层或负摩擦层，共享中间层产生脉冲电压，无需外部供电即在源电极和漏电极之间产生兴奋性后突触电流，能够自驱动实现仿生突触晶体管功能。但是其公开的晶体管无法实现视觉识别。
[0008]综上，开发一种工艺简单且可实现光电信号的记忆功能与对于输入图像的识别功能的仿生突触晶体管至关重要。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种仿生突触晶体管及其制备方法和应用，所述仿生突触晶体管可实现光电信号的记忆功能与对于输入图像的识别功能，模仿生物对于图像的视觉识别，且制备工艺简单。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种仿生突触晶体管，所述仿生突触晶体管包括自下而上依次层叠设置的衬底、源电极和漏电极、沟道层、电荷俘获
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隧穿层、感光层和钝化层；
[0012]所述源电极和漏电极设置于同一层；
[0013]所述电荷俘获
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隧穿层包括电荷俘获层以及包覆于所述电荷俘获层表面的隧穿层；
[0014]所述电荷俘获
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隧穿层包括MXene
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TiO2。
[0015]优选地，所述电荷俘获
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隧穿层的厚度为15
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25nm，例如16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm等。
[0016]本专利技术将MXene经过适度的氧化形成电荷俘获层以及包覆于所述电荷俘获层表面的隧穿层，即核壳结构的MXene
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TiO2材料，其中的MXene核与TiO2壳可分别作为电荷俘获层与隧穿层，应用于电荷俘获
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隧穿存储器件中。将这种存储功能器件与感光层结合形成的薄膜晶体管可实现在光信号输入下的探测与仿生物神经突触功能。将进一步制备成阵列，提取每一行的电流特征，通过人工神经网络算法进行训练，可以实现对于光学图像的识别应用，模仿生物视觉功能。
[0017]本专利技术中的突出晶体管具有光电效应，经过分类器算法训练后，可以阵列的形式完成硬件人工突触系统对于图像识别的应用，从而模拟生物视觉对于信息的判断与分类。
[0018]优选地，所述隧穿层的厚度为10
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15nm，例如11nm、12nm、13nm、14nm、15nm等。
[0019]本专利技术所述隧穿层的厚度均指包覆于所述电荷俘获层的总厚度。
[0020]优选地，所述电荷俘获层的厚度为5
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10nm，例如6nm、7nm、8nm、9nm等。
[0021]优选地，所述沟道层的厚度为10
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20nm，例如12nm、14nm、16nm、18nm等。
[0022]优选地，所述感光层的厚度为55
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65nm，例如56nm、58nm、60nm、62nm、64nm等。
[0023]优选地，所述钝化层的厚度为45
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55本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生突触晶体管，其特征在于，所述仿生突触晶体管包括自下而上依次层叠设置的衬底、源电极和漏电极、沟道层、电荷俘获
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隧穿层、感光层和钝化层；所述源电极和漏电极设置于同一层；所述电荷俘获
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隧穿层包括电荷俘获层以及包覆于所述电荷俘获层表面的隧穿层；所述电荷俘获
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隧穿层包括MXene
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TiO2。2.根据权利要求1所述的仿生突触晶体管，其特征在于，所述电荷俘获
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隧穿层的厚度为15
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25nm。3.根据权利要求1所述的仿生突触晶体管，其特征在于，所述隧穿层的厚度为10
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15nm。4.根据权利要求1所述的仿生突触晶体管，其特征在于，所述电荷俘获层的厚度为5
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10nm。5.根据权利要求1所述的仿生突触晶体管，其特征在于，所述沟道层的厚度为10
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20nm。6.一种根据权利要求1
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5任一项所述的仿生突触晶体管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在衬底的上表面形成源电极和漏电极；(2)配制沟道层前驱体水溶液，涂覆于所述源电极、漏电极和衬底上，形成沟道层；(3)配制电荷俘获
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隧穿层前驱体水溶液，涂覆于所述沟道层上，形成电荷俘获层以及包覆于所述电荷俘获层表面的隧穿层，得到电荷俘获
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隧穿层；(4)配制感光层前驱体溶液，涂覆于所述电荷俘获
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隧穿层上，形成感光层；(5)配制钝化层溶液，涂覆于所述感光层上，形成钝化层，得到所述仿生突触晶体管。7.根据权利要求6所述的仿生突触晶体管的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天石，赵春，赵策洲，刘伊娜，杨莉，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：