一种基于TaO制造技术

本发明专利技术提供了一种基于TaO

【技术实现步骤摘要】
一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于微纳米电子器件领域，更具体地，涉及一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，人工神经网络高速发展，已广泛用于计算机视觉、语音识别、生物信息等方面，但相比于生物神经网络，人工神经网络的功耗仍要高很多，难以处理较为复杂的任务。
[0003]在生物神经网络中，神经元由树突、胞体和轴突组成，其中树突能够接收来自其他神经元的输入，将信号整合传入胞体。树突的主动和被动特性在信息处理中起着关键作用，可以非线性地整合输入信号，可以整合时空信息，并过滤掉无关紧要的背景信息。其中，具有主动特性的树突可以产生局部树突尖峰，可以超线性整合(放大或过度整合)输入信息，如在视网膜神经节细胞中的定向选择性、双目视差调节等功能中起着重要作用。而具有被动特性的树突可以亚线性整合输入信息，在听力重合检测等功能中起着重要作用。这两种类型的树突能够提高神经元的计算能力，能够帮助生物神经网络更灵活、更高能效地处理一些复杂任务。
[0004]然而，目前常用的经典神经元模型中通常不考虑树突功能，用电容来积分整合输入信息，不能实现对背景噪声的过滤和生物树突中非线性整合输入信号的功能，同时电容器不利于人工神经元的集成度的提高。因此探索可以具有易失性、可以整合时空信息，同时能够实现亚线性及超线性两种非线性计算的人工树突器件对人工神经网络的发展至关重要，可以帮助其降低功耗以及丰富其功能。
专利
技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件及其制备方法，旨在解决现有人工神经网络功耗较高以及无法完成复杂任务等问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件，由下而上依次叠设的衬底、第一金属层、功能层以及第二金属层；
[0007]所述功能层采用TaO
x
材料；其中，x小于2.5，以使得功能层存在氧空位形成陷阱能级；
[0008]所述第一金属层内金属材料的功函数高于第二金属层内金属材料的功函数；
[0009]所述第二金属层被施加电压时，由第二金属层向功能层跃迁的电子被陷阱能级俘获，器件由低阻态变为高阻态；所述电压被移除时，所述功能层俘获的电子被释放到第一金属层，器件自发回到高阻态。
[0010]在一个可能的示例中，若所述电压为脉冲电压，则当脉冲电压的幅值小于预设电压阈值时，器件的电流响应幅值小于预设电流阈值，当所述脉冲电压的幅值不小于预设电压阈值时，器件的电流响应幅值大于预设电流阈值，以使得器件仿照生物树突对低于预设
电压阈值的背景信息进行过滤。
[0011]在一个可能的示例中，若所述电压为脉冲电压，所述器件的电流响应幅值随着所述脉冲电压幅值的增大而增大，以使得器件对不同幅值的输入信号实现不同的响应，仿照生物树突对输入信号的空间信息进行整合。
[0012]在一个可能的示例中，若所述电压为脉冲电压，则当所述脉冲电压的脉冲频率不大于预设频率时，器件的电流响应幅值随着脉冲个数的增加而缓慢增大，当所述脉冲电压的脉冲频率大于预设频率时，器件的电流响应幅值随着脉冲个数的增加而快速增大，以使得器件对不同频率的输入信号实现不同的响应，仿照生物树突对输入信号的时间信息进行整合。
[0013]在一个可能的示例中，若所述电压为脉冲电压，则当脉冲电压频率固定时，器件的电流响应幅值随着脉冲幅值的增大而超线性增大，以使得器件仿照生物树突对输入信号进行超线性整合。
[0014]在一个可能的示例中，若所述电压为脉冲电压，则当脉冲电压的幅值固定时，器件的电流响应幅值随着脉冲个数的增加而亚线性增大，以使得器件仿照生物树突对输入信号进行亚线性整合。
[0015]第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件的制备方法，包括以下步骤：
[0016]提供衬底；
[0017]在衬底上制备第一金属层；
[0018]在第一金属层上制备功能层并对其进行图形化；所述功能层采用TaO
x
材料；其中，x小于2.5，以使得功能层存在氧空位形成陷阱能级；
[0019]在功能层上制备第二金属层；所述第二金属层内金属材料的功函数低于第一金属层内金属材料的功函数。
[0020]在一个可能的示例中，所述第一金属层的材料为Pt、Pd、Au、Ni及ITO中的一种；所述第二金属层的材料为Ti、W、Ag、Cu、Al、Ta、Hf、TaN、TiN及TiW中的一种。
[0021]在一个可能的示例中，采用物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、分子束外延、原子层沉积或电化学生长法制备功能层。
[0022]在一个可能的示例中，所述第一金属层的厚度为5nm～200nm，所述功能层的厚度为2nm～100nm，所述第二金属层的厚度为5nm～200nm。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0024]本专利技术提供一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件及其制备方法，在该器件中，TaO
x
层的氧含量低于Ta2O5的氧含量，处于缺氧状态，存在一定的氧空位形成陷阱能级，且第二金属层内金属材料的功函数低于第一金属层内金属材料的功函数，器件被施加电压时，由低阻态变为高阻态，电压被移除时，器件自发回到高阻态，使得器件具有易失性。进一步地，本专利技术提供的树突器件能够模仿生物神经元的树突来实现对其他神经元传递来的电信号的非线性整合，可以整合时空信息，并过滤掉无关紧要的背景信息的功能，增强人工神经网络对信息的处理能力，降低人工神经网络的功耗。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例提供的一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件的结构示意图；
[0026]图2是本专利技术实施例Pt/TaO
x
/Ti树突器件50次连续电压扫描得到的I
‑
V曲线图；
[0027]图3是本专利技术实施例Pt/TaO
x
/Ti树突器件在施加两次连续十个脉冲得到的响应图，脉冲幅值为
‑
4V，频率为3.3Hz；
[0028]图4是本专利技术实施例Pt/TaO
x
/Ti树突器件在不同幅值下的连续十个脉冲的响应图，施加的脉冲的幅值分别为
‑
2V、
‑
2.5V、
‑
3V、
‑
3.5V、
‑
4V、
‑
4.5V，频率均为3.33Hz；
[0029]图5是本专利技术实施例Pt/TaO
x
/Ti树突器件在不同频率下的连续十个脉冲的响应图，施加的脉冲的幅值均为
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TaO
x
的电子型人工树突器件，其特征在于，由下而上依次叠设的衬底、第一金属层、功能层以及第二金属层；所述功能层采用TaO
x
材料；其中，x小于2.5，以使得功能层存在氧空位形成陷阱能级；所述第一金属层内金属材料的功函数高于第二金属层内金属材料的功函数；所述第二金属层被施加电压时，由第二金属层向功能层跃迁的电子被陷阱能级俘获，器件由低阻态变为高阻态；所述电压被移除时，所述功能层俘获的电子被释放到第一金属层，器件自发回到高阻态。2.根据权利要求1所述的电子型人工树突器件，其特征在于，若所述电压为脉冲电压，则当脉冲电压的幅值小于预设电压阈值时，器件的电流响应幅值小于预设电流阈值，当所述脉冲电压的幅值不小于预设电压阈值时，器件的电流响应幅值大于预设电流阈值，以使得器件仿照生物树突对低于预设电压阈值的背景信息进行过滤。3.根据权利要求1所述的电子型人工树突器件，其特征在于，若所述电压为脉冲电压，所述器件的电流响应幅值随着所述脉冲电压幅值的增大而增大，以使得器件对不同幅值的输入信号实现不同的响应，仿照生物树突对输入信号的空间信息进行整合。4.根据权利要求1所述的电子型人工树突器件，其特征在于，若所述电压为脉冲电压，则当所述脉冲电压的脉冲频率不大于预设频率时，器件的电流响应幅值随着脉冲个数的增加而缓慢增大，当所述脉冲电压的脉冲频率大于预设频率时，器件的电流响应幅值随着脉冲个数的增加而快速增大，以使得器件对不同频率的输入信号实现不同的响应，仿照生物树突对输...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓敏，曹丽娟，罗云皓，李家琪，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：