一种光突触晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术属于半导体器件技术领域，公开了一种光突触晶体管及其制作方法，以P3HT与钙钛矿纳米片共混作为半导体层，可以通过简单的溶液旋涂法制备，得益于钙钛矿纳米片的高载流子传输效率和高的光吸收系数，本器件在极低的工作电压(

【技术实现步骤摘要】
一种光突触晶体管及其制作方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别是涉及一种光突触晶体管及其制作方法。

技术介绍

[0002]近年来，在人工突触领域的研究取得了许多进展，如忆阻器、相变存储器和场效应晶体管都被用来模拟突触行为；基于光调控的突触晶体管(以下简称光突触晶体管)在模拟突触行为领域的突出优势有操作功耗低、抗干扰能力强和能够实现功能多样性等，但目前大部分光突触晶体管尽管实现了电学方面的低功耗，但是这些光突触晶体管需所依赖高光功率，限制了人工突触的应用领域，尤其限制了光突触晶体管在弱光环境中的应用。
[0003]目前现有技术中基于光调控的突触晶体管，所需的光强基本为102～103mWcm
‑2，例如DOI号为10.1002/adma.201870287的公开文献、DOI号为10.1002/admt.202000514的公开文献中制作的突触晶体管均依赖较高的光功率。
[0004]2021年Ender Ercan等人发表的名称为“Self
‑
Assembled Nanostructures of Quantum Dot/Conjugated Polymer Hybrids for Photonic Synaptic Transistors with Ultralow Energy Consumption and Zero
‑
Gate Bias”、DOI：10.1002/adfm.202107925的文献，文献公开制备了基于钙钛矿(CsPbBr3)量子点(QD)/聚(3
‑
己基噻吩)(P3HT)复合纳米纤维膜(CNFs)的光子突触晶体管，虽然其实现了0.18fJ的超低能量消耗，但其所使用的10mW cm
‑2的高的光功率仍然达不到光学意义上的低功耗，并不适用于弱光条件；构建弱光条件下的人工突触器件，是实现很多仿生应用的基础，如人工视觉系统的构建，人类的视觉对夜间从月光到黄昏的低照度有很高的感知敏感性，这给了人们在夜间的生存优势。人工视觉器件具有对微弱夜间照明的高灵敏度和低功耗，可以提高成像对比度，实现节能的图像信息处理，尤其在生物仿生机器人、夜间自动驾驶仪和下一代夜盲症医疗技术中具有广泛的应用前景。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种兼具低功耗与可塑性性能优势的光突触晶体管，所述低功耗是具体指的是电功耗和光功耗两个方面，本专利技术提供的光突触晶体管可用于弱光条件下的突触塑性功能模拟。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种光突触晶体管，所述突触晶体管，自下而上包括：栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、源漏电极；
[0008]所述有机半导体层由p
‑
型有机聚合物半导体P3HT和钙钛矿纳米片CsPbBr3NPLs混合涂覆构成，所述有机半导体层的厚度为20～40nm；所述p
‑
型有机聚合物半导体P3HT的分子量大于40000；所述钙钛矿纳米片CsPbBr3NPLs平均尺寸约为50nm；其中P3HT与CsPbBr3NPLs的体积比为2:1；
[0009]所述栅电极采用的材料为选自高掺杂硅、Al、Cu、Au、Ag或Pt中的一种；
[0010]所述栅绝缘层覆盖在整个栅电极表面，隔离栅电极和半导体层之间的接触，有效降低栅漏电流；所述栅绝缘层包括为氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，所述氧化硅厚度优选为300nm，所述氧化硅直接覆盖于栅电极上，所述PMMA层的厚度为20～40nm；
[0011]所述源漏电极生长在导电沟道两侧，其采用的材料为Cu、Au或Pt中的一种，其厚度为60～100nm，所述源极与漏极之间导电沟道的长为50～200μm，所述源极与漏极之间导电沟道的宽为1000～2000μm；优选的，所述源漏电极的制备方法为真空蒸镀法或磁控溅射法；进一步优选的，所述源漏电极材料为铜。
[0012]第二方面，本专利技术提供上述光突触晶体管的制作方法，包括如下步骤：
[0013]步骤(1)，先采用热注入法、后采用溶剂生长法合成钙钛矿纳米片CsPbBr3NPLs，并分散于有机溶剂中；优选的，所述钙钛矿纳米片CsPbBr3NPLs的具体制备过程包括以下步骤：将质量比为1:46的碳酸铯和油酸在真空环境下100℃反应30min后，置于N2环境下120℃继续反应30min，得到油酸铯前驱体；将质量比为1:51:5.8:10.6的溴化铅、十八烯、油酸和油胺在真空条件下100℃反应1h，然后充入N2，升温至120℃快速注射入油酸铯前驱体，保持1h后冷却，获得CsPbBr3NPLs粗溶液；将制得的CsPbBr3NPLs粗溶液进行离心清洗获得高纯度CsPbBr3NPLs。
[0014]步骤(2)，分别称取P3HT、PMMA溶于有机溶剂，P3HT的浓度为1mg/mL；PMMA的浓度为5mg/mL，加入磁子搅拌至完全溶解；
[0015]步骤(3)将P3HT溶液和CsPbBr3NPLs溶液以体积比2:1的比例混合作为半导体层溶液；
[0016]步骤(4)，分别使用丙酮、乙醇和去离子水对硅片进行超声清洗8～10min，然后用高纯氮气吹干表面，放入电热鼓风干燥箱烘干；
[0017]步骤(5)，将干燥洁净的覆盖有氧化硅栅绝缘层的基片采用紫外臭氧处理10～20min；
[0018]步骤(6)，利用溶液旋涂法在步骤(5)中洁净的所述基片上面，首先旋涂PMMA栅绝缘层，转速为3000r/min，旋涂时间30s，所述栅绝缘层厚度控制在20～40nm；退火后继续旋涂P3HT/CsPbBr3NPLs混合溶液，转速为1000r/min，旋涂时间50s，厚度控制在20～40nm；将旋涂好的样品放于加热平台上100℃进行退火处理30min；
[0019]步骤(7)，在步骤(6)中退火好的样品上面真空蒸镀源漏电极。
[0020]优选的，步骤(1)中，所述离心清洗过程包括：首先7000r/min离心15min，倒去上层清液，然后向沉淀物中加入2mL甲苯和3mL乙酸乙酯，震荡均匀后12000r/min离心10min，重复两次后，向沉淀物中加入2mL甲苯，震荡均匀静置备用。
[0021]优选的，步骤(2)中的有机溶剂为乙酸乙酯，甲苯或氯苯中的任意一种。
[0022]优选的，步骤(7)所述真空蒸镀源漏电极为铜，采用掩模板进行图案化处理，掩模板沟道宽度为1500μm，长度为150μm，蒸镀速率控制在厚度控制在60～100nm。
[0023]进一步优选的，为了得到图案边缘平滑的电极，将蒸镀完顶电极的器件在原有真空热蒸镀环境下继续退火至少20分钟，即得到完整的突触晶体管器件。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0025]本专利技术提出了一种结构简单的光突触晶体管，以P3HT与钙钛矿纳米片共混作为半导体层，可以通过简单的溶液旋涂法制备，得益于钙钛矿纳米片的高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光突触晶体管，其特征在于：自下而上包括：栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、源漏电极；所述有机半导体层由p
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型有机聚合物半导体P3HT和钙钛矿纳米片CsPbBr3NPLs混合涂覆构成，所述有机半导体层的厚度为20～40nm；所述p
‑
型有机聚合物半导体P3HT的分子量大于40000；所述钙钛矿纳米片CsPbBr
3 NPLs平均尺寸为50nm；其中P3HT与CsPbBr
3 NPLs的体积比为2:1；所述栅电极采用的材料为选自高掺杂硅、Al、Cu、Au、Ag或Pt中的一种；所述栅绝缘层覆盖在整个栅电极表面，所述栅绝缘层采用的材料为氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，所述氧化硅直接覆盖于栅电极上，PMMA层的厚度为20～40nm；所述源漏电极生长在导电沟道两侧，其采用的材料为Cu、Au或Pt中的一种，其厚度为60～100nm，所述源极与漏极之间导电沟道的长为50～200μm，所述源极与漏极之间导电沟道的宽为1000～2000μm。2.根据权利要求1所述的光突触晶体管，其特征在于：所述源漏电极的制备方法为真空蒸镀法或磁控溅射法。3.一种光突触晶体管的制作方法，其特征在于：所述光突触晶体管的制作方法，包括如下步骤：步骤(1)，先采用热注入法、后采用溶剂生长法合成钙钛矿纳米片CsPbBr3NPLs，并分散于有机溶剂中；步骤(2)，分别称取P3HT、PMMA溶于有机溶剂，P3HT的浓度为1mg/mL；PMMA的浓度为5mg/mL，加入磁子搅拌至完全溶解；步骤(3)将P3HT溶液和CsPbBr
3 NPLs溶液以体积比2:1的比例混合作为半导体层溶液；步骤(4)，分别使用丙酮、乙醇和去离子水对硅片进行超声清洗8～10min，然后用高纯氮气吹干表面后烘干；步骤(5)，将干燥洁净的覆盖有氧化硅栅绝缘层的基片采用紫外臭氧处理10～20min；步骤(6)，利用溶液旋涂法在步骤(5)中洁净的基片上面，首先旋涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵赫，李粤青，凌海峰，解令海，黄维，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：