一种双离子栅型神经形态器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种双离子栅型神经形态器件及其制备方法。


背景技术：

2.神经形态器件是一种具有存储与计算功能的新型电子器件，具有模拟人脑工作模式的能力，是下一代高效率计算芯片的重要组成单元。因此，对神经形态器件的结构设计与功能研发并使之具有更高能效具有重要意义。离子栅晶体管利用离子的双电子层感应功能与离子的移动实现沟道电流的调控，非常类似于生物体中离子调控电位的过程。因此，离子栅晶体管逐渐被应用于模拟神经形态器件。
3.目前常见的三端晶体管器件的结构仅有单个栅电极，透过栅介质完成对沟道的调控。这种单栅的晶体管一方面对于沟道的栅控能力有限，另一方面功能较为局限，仅能完成单一的开关，难以满足下一代半导体高栅控、多模式操控的需求。
4.不同于传统的前端-后端型神经突触，异源性神经突触可以通过两个突触前端共同调制一个突触后端，从而实现高效的权重迭代与计算，对于生物体正常生命活动的开展至关重要。虽然利用单栅的晶体管可以实现传统突触功能的模拟，但无法实现“两前端一后端”异源性神经突触功能。因此，为了模拟“两前端一后端”复杂的生物神经系统，探索一种具有双栅的神经形态晶体管器件模拟异源性神经突触行为具有重要价值。


技术实现要素：

5.本发明公开一种双离子栅型神经形态器件，利用离子凝胶作为栅介质，借助双电子层效应以及可移动离子的迁移特性，实现双端神经突触调控功能，用于构建高栅控的新型神经形态计算体系。
6.该双离子栅型神经形态器件包括：衬底；背栅电极，形成在所述衬底上；背栅介质，其为离子氧化物薄膜，形成在所述背栅电极上；二维薄膜，形成在所述背栅介质上且位于所述背栅电极上方，作为沟道；源电极和漏电极，分别形成在所述沟道两端；顶栅电极，形成在所述背栅介质上，与所述沟道以一定间隔平行排列，所述栅电极的延伸方向与所述背栅电极的延伸方向正交，但顶栅电极与所述背栅电极不相交叠；顶栅介质，其为离子凝胶，覆盖所述沟道和所述顶栅电极，在顶栅以及背栅同时施加脉冲时序，对沟道电导进行调控，通过离子的迁移与注入实现器件电导范围的定量增加或减小，模拟异源性神经突触的两个前端对一个突触后端的调节过程，实现异源性神经形态计算协同工作模拟。
7.本发明的双离子栅型神经形态器件中，优选为，所述背栅介质为li
x
sio2、li
x
alo2或li
x
ti2o4。
8.本发明的双离子栅型神经形态器件中，优选为，所述顶栅介质为li离子凝胶。
9.本发明的双离子栅型神经形态器件中，优选为，所述二维薄膜为wse2，mose2，ws2或mos2。
10.本发明的双离子栅型神经形态器件中，优选为，所述顶栅电极与所述沟道的间隔为50μm～150μm。
11.本发明还公开一种双离子栅型神经形态器件制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成背栅电极；在所述背栅电极上形成背栅介质，其为离子氧化物薄膜；在所述背栅介质上形成二维薄膜作为沟道，其位于所述背栅电极上方；在所述沟道两端分别形成源电极和漏电极；在所述背栅介质上形成顶栅电极，其与所述沟道以一定间隔平行排列，所述栅电极的延伸方向与所述背栅电极的延伸方向正交，但顶栅电极与所述背栅电极不相交叠；在所述沟道和所述顶栅电极上滴覆离子凝胶溶液，加热使之凝固形成离子凝胶，作为顶栅介质，在顶栅和背栅上同时施加脉冲时序，对沟道电导进行调控，通过离子的迁移与注入实现器件电导范围的定量增加或减小，模拟异源性神经突触的两个前端对一个突触后端的调节过程，实现异源性神经形态计算协同工作模拟。
12.本发明的双离子栅型神经形态器件制备方法中，优选为，所述背栅介质为li
x
sio2、li
x
alo2或li
x
ti2o4。
13.本发明的双离子栅型神经形态器件制备方法中，优选为，所述离子凝胶溶液的溶质为质量比控制在1:8的liclo4晶体和聚乙烯醇，溶剂为去离子水，浓度为0.05g/ml～2g/ml。
14.本发明的双离子栅型神经形态器件制备方法中，优选为，所述二维薄膜为wse2，mose2，ws2或mos2。
15.本发明的双离子栅型神经形态器件制备方法中，优选为，所述加热温度为60℃～130℃，加热时长为5～20min。
16.有益效果：
17.(1)打破传统的单栅工作方式，引入顶栅与背栅的双栅并行操作，可以提高器件的栅控能力，且在提高计算效率方面具有极大潜力。
18.(2)采用离子凝胶作为栅介质层制备神经形态晶体管，利用凝胶中离子移动实现电子突触的电导调制，更贴近实际人脑中的权重调节与计算过程。
19.(3)异源性双离子栅型神经形态器件的出现使得神经形态计算更加灵活可控，在实现存算一体的同时适合更为复杂的协同计算与权重更迭，为下一代异源性神经形态系统的构建提供了指导。
附图说明
20.图1是双离子栅型神经形态器件的制备方法流程图。
21.图2是形成背栅电极后的器件结构示意图。
22.图3是形成背栅介质后的器件结构示意图。
23.图4是形成二维材料层后的器件结构示意图。
24.图5是形成源漏电极和顶栅电极后的器件结构示意图。
25.图6是形成顶栅介质后的器件结构示意图。
26.图7是双离子栅型神经形态器件工作原理示意图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
30.图1是双离子栅型神经形态器件的制备方法流程图。如图1所示，双离子栅型神经形态器件的制备方法包括以下步骤：
31.步骤s1，准备1.5cm
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1.5cm的氧化硅标记片作为制备双离子栅神经形态器件的衬底100。优选的衬底可选氧化硅片、硅片、玻璃、蓝宝石等。然后，利用电子束光刻和磁控溅射技术在衬底100上制备厚度为50nm的背栅电极pd101，所得结构如图2所示。背栅电极材料还可以选pt，au等；厚度优选范围为30nm～100nm。
32.步骤s2，利用磁控溅射法生长50nm厚的li
x
sio2作为背栅介质102，所得结构如图3所示。背栅介质的材料还可以是li
x
alo2、li
x
ti2o4等；厚度优选为30nm～80nm。
33.步骤s3，利用二维薄膜转移平台将5nm厚的wse2二维薄膜103转移至背栅上作为神经形态器件的沟道材料，所得结构如图4所示。沟道材料优选为mose2，ws2，mos2等；沟道厚度优选为1nm～10nm。
34.步骤s4，利用电子束光刻与磁控溅射技术在沟道两端生长ti/pd作为源电极104和漏电极105，同时在距离沟道100μm的地方生长ti/pd作为顶栅电极107，所得结构如图5所示。所形成的顶栅电极107的延伸方向与沟道的延伸方向平行，顶栅电极107的延伸方向与背栅电极101的延伸方向正交，但顶栅电极107与背栅电极101不相交叠，即顶栅电极107与背栅电极101在同一个水平面的投影无相互交叉重叠。其中，源漏电极材料还可以是ti/au，cr/pd，cr/au，ni/pd，ni/au等；厚度优选为5～15nm/30～100nm；顶电极距沟道的距离优选为50μm～150μm；源漏电极和顶栅电极的面积优选为60μm
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60μm～150μm
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150μm，进一步优选为100μm
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100μm。
35.步骤s5，利用移液枪在二维薄膜103和顶栅电极107上滴覆li离子凝胶溶液，滴覆后在100℃的热板加热10min，从而使得离子凝胶的状态凝固，作为顶栅介质108，完成双离子栅型神经形态器件的制备，所得结构如图6所示。其中，离子凝胶溶液中的溶质：liclo4晶体 聚乙烯醇(liclo4和聚乙烯醇的质量比控制在1:8)，溶液中的溶剂：去离子水。溶液的浓度优选为0.05g/ml～2g/ml，进一步优选为0.1g/ml。烘烤温度优选为60℃～130℃；加热时
长优选为5～20min。
36.如图7所示，在顶栅以及背栅同时施加脉冲时序对沟道电导进行调控，可以通过离子的迁移与注入实现器件电导范围的定量增加或减小，类似于异源性神经突触的两个前端对一个突触后端的调节过程，从而实现异源性神经形态计算等协同工作模拟。
37.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。