基于电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的制作方法

1.本发明涉及一种突触三端器件，该三端器件的电学输运特性可以模拟生物神经突触。


背景技术：

2.随着社会进步和科技发展，采用“冯
·
诺依曼结构”的传统计算机由于需要在存储器和处理单元传输大量信息，传统晶体管结构和性能上的不足也逐渐显现，计算效率的发展已经到达了瓶颈，满足不了人们的需求，因此新型信息处理设备的研究也越来越迫切。近些年来，人们发现对比传统计算机，生物大脑在信息的传递和处理方面有很大优势，能在短时间内对大量信息进行处理分析，而且能耗远远低于传统计算机，这正是提升计算机效率所必须的。研究表明，人脑的信息传递和处理是通过大量神经元(≈10
11
)和突触(≈10
15
)实现的，神经元是构成大脑的基本细胞单元，而突触则是这些单元之间的连接点，神经元之间信息传递的效率和权重都是由突触决定的，称之为突触权重。突触权重并不是一成不变的，外界刺激会使突触权重发生变化，这种变化根据刺激的强度、频率和时间会保留相应的一段时间，甚至是永久保留，这就是大脑的学习记忆过程。生物大脑对于外界刺激进行的逻辑处理，实质上是刺激在神经网络中传播经过突触进行了加权输出的结果。由于大脑在信息处理方面的种种优势，人们想要参照这样的结构和原理开发出新型的计算机架构。类比人脑结构，最关键的是制备出一种有突触功能的电子器件，这种器件不但能够根据外界不同的刺激产生相应的响应，并且能将该响应保持一定的时间。


技术实现要素：

3.本发明提供一种能够对电场产生响应并能将响应保持一段时间的突触三端器件，其电学输运特性与突触在人脑中的特性类似。本发明提供一种基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件，包括：
4.第一电极；
5.固态电解质层，置于所述第一电极下方，所述固态电解质层由具有离子传导性并且电绝缘的化合物或者复合物材料构成；
6.沟道层，置于所述固态电解质层下方，所述沟道层的电阻能够根据进入所述沟道层的离子浓度而变化；
7.第二电极、第三电极，置于所述沟道层侧边，所述第二电极、所述第三电极紧贴所述沟道层。
8.优选地，其中所述化合物是金属盐。
9.优选地，其中所述金属盐是锂离子固态电解质，其优选地为lisio
x
、li
12
si3p2o
20
、li2s
–
sis2和li
1 x
al
x
ge
2-x
(po4)3中的至少一种。
10.优选地，其中所述复合物是氢元素化合物和金属盐中的一种与高分子聚合物形成的复合物。
11.优选地，其中所述复合物是以聚乙烯醇为主体填充硫酸或高氯酸钠的复合物。
12.优选地，其中所述复合物是高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物。
13.优选地，其中所述沟道层由强关联氧化物材料制成。
14.优选地，其中所述强关联氧化物材料为镍酸盐、锰酸盐、氧化铌、氧化镍和二氧化钒中的至少一种。
15.优选地，其中所述镍酸盐是镍酸钐，所述锰酸盐是锰酸镧。
16.优选地，其中所述沟道层的厚度在1纳米到500纳米的范围。
17.与传统的电子晶体管相比，本发明的突触三端器件的电阻会因外界施加电场的不同而发生改变，电阻的可调范围很大，最大阻值和最小阻值的比值，即开关比，可以达到几个数量级的变化，特定的外加电场还能使阻值的这种变化维持一定的时间。与突触权重变化的特性类似，本发明器件的电阻变化是连续的，而且有大量的中间态存在于最大阻值和最小阻值之间。本发明的特性在探索类脑式计算机的道路上具有重要的试探意义。
18.本发明的基于电解质调控强关联氧化物的突触三端器件同时包括非易失性多级电阻开关和电控金属-绝缘体转变的功能，在实现逻辑功能、树突整合和人工树突神经元方面优于其他类型的设备。电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的低电压操作特性还提供了实现超低能耗突触装置的可能性。
附图说明
19.以下参照附图对本发明的实施例做进一步说明，其中：
20.图1示出本发明的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的结构示意图；
21.图2a示出本发明的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件在外加正向电场时的阻变示意图；
22.图2b示出本发明的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件在外加负向电场时的阻变示意图；
23.图3示出实施例1—lisio
x
作固态电解质层以及实施例2—高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物作固态电解质层的突触三端器件的示意图。
24.图4示出lisio
x
作固态电解质层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的测试结果示意图；
25.图5示出高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物作固态电解质层的基于固态电解质调控强关联氧化物的测试结果示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.参照图1，图1为本发明的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的结构示意图，其包括层叠的第一电极7、固态电解质层3、沟道层1、第二电极2、第三电极4以及衬底5。其中在衬底5上能够生长制备沟道层1，沟道层1由能够被固态电解质层调控进而电
阻发生变化的材料构成，包括强关联氧化物材料，这类沟道层自身的电阻会因自身结构的改变而变化，通过固态电解质可以嵌入和析出离子来改变其结构，从而实现可控的电阻阻值变化。固态电解质层3通常由高离子传导性、低电导性的化合物或者复合物材料构成。如图1所示，固态电解质层3中的圆形和十字形的组合代表阳离子，在自然状态下，固态电解质层3中的阳离子均匀分布，施加外部电场后阳离子会沿电场线方向运动，进入沟道层或从沟道层析出。第二电极2和第三电极4由金属或导电氧化物构成，位于沟道层侧边且与沟道层紧密接触，第一电极7位于固态电解质层3上方。
28.下面结合图2a和图2b介绍本发明的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的原理。参照图2a和图2b，图2a和图2b为本发明的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件在外加电场时的阻变示意图。其中图2a是外加电场6为正向电场时器件的工作原理图，此时固态电解质层3中的阳离子在外加正向电场的作用下，沿电场方向向下(图中箭头方向)运动，进入沟道层1，进而改变了沟道层强关联氧化物中电子轨道占据，从而改变了其能带结构，使得其带隙变窄甚至消失，器件的电阻因此减小，电导会增加。应当注意，器件实际的阻态变化应按照材料的性质进行测量确定。图2b是外加电场6为负向电场时器件的工作原理图，嵌入沟道层1中的阳离子在外加电场作用下沿电场线方向(图中箭头方向)从沟道层析出，重新回到固态电解质层3中，沟道层1强关联氧化物的结构恢复至高电阻状态。通过调节控制外加电场的强度、持续时间以及频率等参数，还能将器件的电阻调控到最大阻值和最低阻值之间的中间态，因此，可以用本发明中的器件模拟突触功能，实现可控的突触权重。而且在施加特定强度，持续时间，频率的外加电场后，当撤去电场时，器件中的离子分布并不会立即恢复至初始状态，而是会保留一定时间，保持时间与外加电场的参数相关。即本发明中的器件电阻变化可受外加电场控制并保留一定时间，这种特性与突触受外界刺激突触权重发生改变并保留一定时间的现象吻合，因此本发明可以用来模拟突触的相关学习和记忆过程。
29.实施例1
30.该实施例1针对lisio
x
作所述固态电解质层3，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层1的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件，该器件所需电场由外接电源提供。参考图3，图3为本发明电解质lisio
x
调控沟道层二氧化钒的突触三端器件示意图，包括：
31.第一电极7，厚度为100nm，由金属铂构成；
32.厚度为100nm的lisio
x
薄膜作为固态电解质层3；
33.厚度为70nm的二氧化钒薄膜作为强关联氧化物沟道层1；
34.第三电极4与第二电极2位于二氧化钒薄膜两端，其由在厚度为5nm的金属钛上生长厚度为75nm的金属铂制成；
35.衬底5位于二氧化钒薄膜下方，为0.5mm厚(0001)取向的氧化铝基片；
36.外接电源6，其连接在第一电极7与第二电极2之间。
37.上述lisio
x
作为固态电解质层，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件制备过程如下：
38.步骤一：选单面抛光、取向为(0001)、厚度为0.5mm、边长为5mm的氧化铝作衬底5，抛光面与沟道层1相接触；
39.步骤二：在衬底5的抛光面生长70nm厚的二氧化钒作沟道层1；
40.步骤三：在沟道层1的两侧，在厚度为5nm的金属钛上生长厚度为75nm的金属铂形成第三电极4与第二电极2；
41.步骤四：在沟道层1的上方生长100nm厚的lisio
x
薄膜作为固态电解质层3；
42.步骤五：在固态电解质层3上方生长100nm厚的金属铂作第一电极7。
43.lisio
x
作为固态电解质层，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件制作完成，且该器件是基于无机方法制备而成的。
44.为了表明本发明的lisio
x
作为固态电解质层，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的性能，选用半导体性能测试系统，将第一电极7、第二电极2与第三电极4同测试系统连接到一起，通过操作测试系统改变本发明第一电极7与第二电极2之间的电场参数，来测试外加电场对第三电极4与第二电极2之间电流大小的影响。测试结果在图4中示意性的示出，当外加正向电场时，器件电阻减小，此时第二电极2与第三电极4之间的电导比初始状态(由沟道层的本征电阻所决定)显著增加，当撤去外加电场时电导不会恢复至初始状态，而是会稳定在一个数值，当外加负向电场时，器件恢复至高电阻状态，此时器件的电导显著下降回到初始状态。
45.实施例2
46.该实施例2针对高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物作固态电解质层，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件，该器件所需电场由外接电源提供。参考图3，图3为本发明电解质高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物调控沟道层二氧化钒的突触三端器件示意图，包括：
47.第一电极7，厚度为70nm，由金属铂构成；
48.厚度为1μm的高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的聚合物薄膜作为固态电解质层3；
49.厚度为50nm的二氧化钒薄膜作为强关联氧化物沟道层1；
50.第三电极4与第二电极2位于二氧化钒薄膜两端，由厚度为70nm的金属铂构成；
51.衬底5位于二氧化钒薄膜下方，为0.5mm厚的表面带有300nm二氧化硅的si基片；
52.外接电源6，其连接在第一电极7与第二电极2之间。
53.其制备过程与实施例1中的制备过程类似，在此不再重复赘述。
54.为了表明本发明的高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的聚合物作为固态电解质层，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件的性能，选用半导体性能测试系统，将第一电极7、第二电极2与第三电极4同测试系统连接到一起，通过操作测试系统改变本发明第一电极7与第二电极2之间的电场参数，来测试外加电场对第三电极4与第二电极2之间电流大小的影响。测试结果在图5中示意性示出，当外加正向电场时，器件电阻减小，此时第二电极2与第三电极4之间的电导比初始状态显著增加，当撤去外加电场时电导不会恢复至初始状态，而是会稳定在一个数值，当外加负向电场时，器件恢复至高阻状态，此时器件的电导显著下降回到初始状态。
55.根据上述实施例可以看出，本发明的突触三端器件的电阻会因外界施加电场的不同而发生改变，而且在外加电场撤去之后能继续保持，这与生物突触应对外部刺激的学习与记忆过程相吻合。
56.根据上述内容，本发明的固态电解质层需要具备高离子传导性以及低电导性，当在本发明器件上施加电场时，固态电解质层中的离子可以嵌入沟道层的强关联氧化物中，
并且在电场撤去之后能够保持一定时间。因此固态电解质层的材料可以由具有良好的离子传导性并且电绝缘的化合物或者复合物材料构成。其中化合物可以包括金属盐，其包括但不限于锂离子固态电解质，如lisio
x
、li
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si3p2o
20
、li2s
–
sis2或li
1 x
al
x
ge
2-x
(po4)3等；其中复合物可以包括化合物和高分子聚合物形成的复合物，其包括氢元素化合物和金属盐中的一种与高分子聚合物形成的复合物，包括但不限于以聚乙烯醇为主体，填充硫酸或高氯酸钠的复合物或者高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物。
57.本领域技术人员应当理解，本文所说的电绝缘可以理解为低电导性，即所述电绝缘并非完全不导电，而是电导性比较低，从而使得其电流不能影响器件电性的测量。
58.固态电解质层的厚度与电解质种类以及制备方式有关，根据本发明的实施例，固态电解质层的厚度应优选地具有10纳米到10微米的范围，更优选地具有10纳米到1微米的范围，以及更优选地，具有10纳米到100纳米的范围。
59.根据本发明的上述实施例，沟道层可以通过固态电解质调控进而实现可控的电阻阻值变化，其由强关联氧化物材料构成，包括但不限于多种镍酸盐，如镍酸钐；多种锰酸盐，如锰酸镧；还有其他的如氧化铌，氧化镍，二氧化钒等。基于本发明尺寸尽可能小的原则，沟道层的厚度应具有1纳米到500纳米的范围，以及优选地具有1纳米到200纳米的范围，以及更优选地具有1纳米到100纳米的范围。
60.根据本发明的上述实施例，第一电极、第二电极和第三电极应由铂、金或钛等金属或导电氧化物构成。
61.根据本发明的一个实施例，突触三端器件也可以被称为突触晶体管，第一电极还可以被称为栅极，第二电极和第三电极可以分别被称为漏极和源极。
62.根据本发明的上述实施例，衬底基片需要晶格结构均匀，表面洁净平整，使得沟道层能够在其上生长，其包括但不限于熔融石英玻璃或者单晶氧化物材料，单晶氧化物材料可以包括氧化铝、氧化钛等。
63.在本发明中，固态电解质层与沟道层的尺寸与形状可以根据实际情况自行设计。但是由于本发明需要通过固态电解质的变化调控沟道层的变化，固态电解质层应优选地可以完全覆盖沟道层，且第一电极应与固态电解质层接触。根据本发明需要在第一电极和第二电极之间施加电场的机制，第一电极应与沟道层分离，第二电极与第三电极应与沟道层接触。第一电极、第二电极与第三电极之间的间距不宜过小以避免发生粘连，尺寸在可测试范围内越小越好。
64.虽然上述具体实施例对lisio
x
以及高氯酸钠和聚环氧乙烯形成的复合物作为固态电解质层，强关联氧化物二氧化钒作为沟道层的基于固态电解质调控强关联氧化物的突触三端器件进行了描述，本领域技术人员很容易理解，沟道层强关联氧化物的材料种类、尺寸等都还有优化空间，材料种类可以是开关比更大的强关联氧化物，而尺寸上则是在保证阻变性质良好的情况下尽可能减小。
65.虽然本发明已经选取优选实施例进行描述，但是本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明的范围下还应包括所作出的各种改变及调整。