一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管的制作方法

1.本发明涉及电子器件技术领域，特别是一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管。


背景技术：

2.为了突破冯诺依曼瓶颈，人们提出用类脑芯片来实现类脑计算以解决进行大量信息处理时的功耗和速度问题。类突触器件作为类脑芯片的基础元件，通过模拟神经元的长期或短期记忆效应来实现信息的处理、传递和存储。离子门控型类突触场效应管是被广泛研究的一种类突触器件，通常由源电极、漏电极、栅电极、离子源和沟道材料组成。
3.栅极电压作为突触前刺激，影响离子源中的离子吸附在沟道材料表面或插入沟道材料中间的速度，会动态改变沟道材料的电导率，实现类突触器件的可塑性。由于离子扩散速率较慢，离子门控型类突触场效应管可以获得较大的可塑性范围，表现出较好的长期或短期记忆效应。但是，器件中的离子容易在栅极电压为零时，于沟道材料和离子源界面处结合自由电子形成枝晶，影响场效应管的可靠性。类突触器件在大部分时间处于栅极电压为零的状态，因此抑制枝晶的形成非常重要。可以从两个方面来抑制：一是减少离子在沟道材料-离子源界面处的聚集；二是抑制沟道材料中自由电子向界面处的隧穿。先前有报道提出在沟道材料mos2和离子源间引入单层石墨烯作为中间层，以将离子与沟道材料隔离，但是由于单层石墨烯与mos2形成的范德瓦尔斯异质结的肖特基势垒较低，对电子隧穿的抑制不明显。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种双态离子门控型类突触场效应管，通过引入较高的肖特基势垒，从而抑制电子从沟道材料到中间层-离子源界面处的隧穿，减少枝晶的形成几率，使器件具有更好的可靠性。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管，所述场效应管由源极、栅极、漏极、离子源、沟道材料、衬底和中间层组成；所述场效应管沟道材料置于衬底材料之上，源极和漏极置于沟道材料两侧用于检测通过沟道材料的电流，在沟道材料和离子源间额外引入一层中间层，离子源置于中间层上侧用于提供自由离子，栅极置于离子源上侧用于提供栅极脉冲迁移自由离子以改变沟道材料电导，模拟生物记忆功能；所述沟道材料采用mos2，中间层采用ti3c2o2，沟道材料和中间层之间堆叠时，中间层ti3c2o2的底层c原子垂直对应于沟道材料mos2的顶层s原子；
6.所述场效应管具有工作态和静息态；中间层与沟道材料形成的肖特基势垒能够抑制电子的隧穿，在没有施加栅极电压时减少枝晶在中间层-离子源界面处的形成几率。
7.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)该场效应管在沟道材料和离子源间额外引入了一层二维材料作为中间层，根据中间层与沟道材料中有无离子的存在，可以把该场效应管的状态分为工作态和静息态；(2)在没有施加栅极电压时，由于中间层与沟道材料
形成范德瓦尔斯异质结，引入了较高的肖特基势垒，所以抑制了电子从沟道材料到中间层-离子源界面处(离子聚集区)的隧穿，减少了枝晶的形成几率，使器件具有更好的可靠性；(3)这种离子门控型类突触场效应管在新一代的类脑芯片设计与开发中有重要的潜在应用。
附图说明
8.图1是本发明一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管的结构示意图。
9.图2是本发明一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管的工作原理图。
10.图3是实施例中中间层ti3c2o2与沟道材料mos2的六种不同类型的堆叠示意图。
11.图4是实施例中六种堆叠的mos2/ti3c2o2异质结的能带图以及对应异质结中mos2的态密度图，能带图中标粗部分的能带为mos2贡献的能带的导带底和价带顶，能带图中标注的数字为计算得到的肖特基势垒。
具体实施方式
12.本发明具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管，在沟道材料和离子源间额外引入了一层二维材料作为中间层。由于离子穿过中间层需要克服较高的能量势垒，因此要一定的栅极电压辅助才能具有较高的离子穿过通量。根据中间层与沟道材料中有无离子的存在，可以把该场效应管的状态分为工作态和静息态。在没有施加栅极电压时，由于中间层与沟道材料形成范德瓦尔斯异质结，引入了较高的肖特基势垒，所以抑制了电子从沟道材料到中间层-离子源界面处(离子聚集区)的隧穿，减少了枝晶的形成几率，使器件具有更好的可靠性。
13.结合图1，本发明一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管，由源极、栅极、漏极、离子源、沟道材料、衬底和中间层组成；所述场效应管沟道材料置于衬底材料之上，源极和漏极置于沟道材料两侧用于检测通过沟道材料的电流，在沟道材料和离子源间额外引入一层中间层用于提高场效应管可靠性，离子源置于中间层上侧用于提供自由离子，栅极置于离子源上侧用于提供栅极脉冲迁移自由离子以改变沟道材料电导，模拟生物记忆功能；所述沟道材料采用mos2，中间层采用ti3c2o2，沟道材料和中间层之间堆叠时，中间层ti3c2o2的底层c原子垂直对应于沟道材料mos2的顶层s原子；
14.所述场效应管具有工作态和静息态；中间层与沟道材料形成的高肖特基势垒能够抑制电子的隧穿，在没有施加栅极电压时减少枝晶在中间层-离子源界面处的形成几率，使该场效应管具有高可靠性。
15.进一步地，所述场效应管的沟道材料通过机械剥离法转移至基底上，并根据光学显微镜和原子力显微镜的测量结果进行选择。
16.进一步地，所述场效应管的源极和漏极通过真空蒸镀法设置于沟道材料上侧，栅极通过真空蒸镀法设置于离子源上侧。所述场效应管的中间层材料通过湿法刻蚀的方法制备，并转移至沟道材料上侧。所述场效应管的离子源通过旋涂工艺均匀覆盖于中间层上侧。
17.进一步地，静息态为中间层与沟道材料中没有离子存在时场效应管的状态，工作
态为中间层与沟道材料中有离子存在时场效应管的状态。
18.进一步地，在所述的静息态下，所述离子源中的离子在栅极电压的辅助下，获得能量接近或高于中间层的离子能量势垒，离子能够穿过中间层到达沟道材料，场效应管从静息态转变到工作态，对应的栅极电压为刺激电压ve；在所述的工作态下，中间层与沟道材料中的离子在反向栅极电压的辅助下，获得能量接近或高于中间层的离子能量势垒，离子能够反向穿过所述中间层回到离子源，场效应管从工作态转变到静息态，该反向栅极电压为抑制电压vi。
19.进一步地，在所述的工作态下，离子在栅极电压的作用下插入到沟道材料中或吸附在沟道材料表面，使沟道材料的电导率发生改变，进而产生长期或短期的记忆效应，该栅极电压为工作电压vw。
20.进一步地，在所述的静息态下，若栅极电压比所述的刺激电压ve小，离子无法克服中间层的离子能量势垒，也即无法穿过中间层到达沟道材料，所以不会改变沟道材料的电导率，不会产生长期或短期的记忆效应。
21.进一步地，在没有施加栅极电压时，部分离子聚集在中间层-离子源界面处，同时由中间层与沟道材料形成的异质结拥有较高的肖特基势垒，能够抑制沟道材料中电子向中间层-离子源界面处即离子聚集区的隧穿，减少枝晶的形成几率，使该场效应管具有高可靠性。
22.下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细描述。
23.实施例1
24.结合图2，本发明提出了一种具有高可靠性的双态离子门控型类突触场效应管，具体工作原理如下。
25.1、图2(a)初始状态，未施加栅极电压，所述场效应管处于静息态。离子均匀分布在离子源内，少部分聚集在中间层的上表面，由于中间层的存在，离子难以自发扩散到沟道材料上表面，所述场效应管维持在静息态。由于中间层和沟道材料组成的异质结具有高肖特基势垒，沟道材料中的电子隧穿到中间层-离子源界面处(离子聚集区)的概率很低，降低了枝晶在中间层的上表面形成几率，排除了枝晶在沟道材料上表面形成的可能性，使器件具有高可靠性。
26.2、图2(b)所示场效应管处于静息态，此时栅极电压远小于刺激电压(vg＜＜ve)，离子获得的能量远小于中间层的能量势垒，即隧穿过中间层的概率接近零，因此所示场效应管维持在静息态。
27.3、图2(c)所示场效应管处于工作态，此时栅极电压大于等于刺激电压(vg≥ve)，离子源中的离子获得的能量接近或高于中间层的离子能量势垒，可以穿过中间层，场效应管完成从静息态到工作态的转变。
28.4、图2(d)所示场效应管处于工作态，在工作脉冲的刺激下，离子吸附或插入到沟道材料中，沟道材料的电导率得到改变，使得所述场效应管产生短期或长期记忆效应，以模拟人脑中神经突触的功能。
29.5、图2(e)所示场效应管处于静息态，若反向的栅极电压大于等于抑制电压(|vg|≥|vi|)，离子获得的能量接近或高于所述中间层的离子能量势垒，则离子离开沟道材料，穿过中间层，场效应管完成从工作态到静息态的转变。
30.6、图2(f)所示场效应管源漏电流在不同栅极脉冲作用下与时间的关系图，初始时刻所述场效应管处于静息态，此时在栅极施加小于刺激电压的工作电压时(vw《ve)，源漏电流没有明显变化，表示离子源中的离子未能穿过中间层，场效应管仍处于静息态。在静息态下，当在栅极施加刺激电压时，源漏电流逐渐上升，表示有离子源中的离子穿过中间层，场效应管从静息态转变为工作态。在工作态下，栅极上施加的工作电压使得源漏电流大小呈非线性的增大和减小，场效应管正常工作。在工作态下，当在栅极施加抑制电压时，源漏电流逐渐下降，表示离子离开沟道材料，穿过中间层，场效应管完成从工作态到静息态的转变。
31.1、器件设计
32.以凝胶状liclo4作为离子源、双层二维材料mos2作为沟道材料、单层二维材料ti3c2o2作为中间层为例，研究所述离子门控型类突触场效应管的静息态、工作态及稳定性。
33.在离子门控型类突触场效应管中，离子在栅极电压的作用下会迁移并插入到沟道材料中或吸附在沟道材料表面，在撤去栅极电压后离子会由于浓度差逐渐扩散离开沟道材料。双层二维材料mos2的表面或层间引入锂离子后，会从2h相转变成1t相，导致电导率发生相应的变化。在栅极工作脉冲到来时，由于离子扩散速率相对迁移速率较慢，因此mos2电导率会随施加的栅极工作脉冲数量的增多而变大，即表现出mos2电导率的记忆效应。中间层ti3c2o2具有较高的离子能量势垒，使得该场效应管具有明显的静息态和工作态，需要向其施加高栅极脉冲电压才能完成双态间的转变。在没有施加栅极电压时，由于中间层ti3c2o2与沟道材料mos2形成范德瓦尔斯异质结，引入了较高的肖特基势垒，所以抑制了电子从沟道材料到中间层ti3c2o
2-离子源liclo4界面处(离子聚集区)的隧穿，减少了枝晶的形成几率，使器件具有高可靠性。
34.2、结构优化
35.为了确保肖特基势垒和能量势垒计算结果的正确性，首先用密度泛函理论对所述二维材料mos2、ti3c2o2及其构成的mos2/ti3c2o2范德瓦尔斯异质结做结构优化。mos2结构优化后的晶格常数为ti3c2o2结构优化后的晶格常数为对于mos2/ti3c2o2异质结，考虑了六种不同的堆叠，如图3所示。其中根据mos2中mo原子和s原子与ti3c2o2中ti原子和c原子相对位置的不同，将图3(a)～(f)的堆叠方式分别命名为typeⅰ、typeⅱ、typeⅲ、typeⅳ、type
ⅴ
和typeⅵ。结构优化后的层间距和层间吸附能如表1所示。
36.表1在六种不同的堆叠方式下mos2/ti3c2o2异质结的层间距和层间结合能
[0037][0038]
1、肖特基势垒计算
[0039]
肖特基势垒的计算方式为异质结的能带中归于mos2的导带底能量和费米能级的差。因此用密度泛函理论计算了mos2/ti3c2o2异质结的能带图，分析了mo、s及mos2的分波态密度图，如图4所示，图4(a)～(f)的堆叠方式分别命名为typeⅰ、typeⅱ、typeⅲ、typeⅳ、type
ⅴ
和typeⅵ。可以看出，图中归于mos2的能带结构中仍然有清晰的导带和价带。根据肖特基势垒的计算方式，六种不同堆叠方式的mos2/ti3c2o2异质结的肖特基势垒在1.373ev到
1.632ev范围内。电子隧穿概率公式如下：
[0040][0041]
其中为普朗克常量，m为电子质量，v0为势垒大小，d为势垒厚度。此处选择肖特基势垒最高的堆叠方式(type iii)，将势垒高度带入公式，得到电子隧穿概率为1.98％。同时也对含另外两种常见基团的ti3c2x2(x＝f,oh)和石墨烯与mos2堆叠形成的肖特基势垒和电子隧穿概率进行了计算，如表2所示。相比于石墨烯和其他不同基团吸附的ti3c2x2(x＝f,oh)，ti3c2o2与mos2形成的异质结中电子隧穿的概率最小。
[0042]
表2：mos2/ti3c2f2、mos2/ti3c2oh2、mos2/ti3c2o2、mos2/graphene异质结的肖特基势垒以及对应的电子隧穿概率
[0043][0044]
2、能量势垒计算
[0045]
通过密度泛函理论结合过渡态搜寻的方法，计算出了锂离子穿越单层ti3c2o2需要克服的能量势垒为12.85ev，离子的隧穿概率可以通过如下公式获得：
[0046]kp
＝e-βu
[0047]
其中β为常量，u为势垒高度。将能量势垒带入公式，得到在静态下离子隧穿概率接近于零(3.6
×
10-197
％)，这代表引入中间层ti3c2o2之后，离子在静息态且没有栅极电压的情况下几乎无法穿过中间层以完成到工作态的转换。在不同的栅极电压下离子穿过中间层ti3c2o2的通量不同，相关公式如下：
[0048][0049]
其中β为常量，u为势垒高度，v为锂离子从栅极脉冲获得的能量。此处定义工作脉冲为3v，刺激脉冲为12v，抑制脉冲为-12v(大小与刺激脉冲相等但方向相反)。在静息态，若在栅极施加工作电压，此时根据通量公式，离子穿越中间层ti3c2o2的通量为几乎可以忽略不计(1.679
×
10-127
atoms
·
μm-2
·
s-1
)。而若在静息态下，在栅极施加的是刺激电压，根据通量公式，离子穿越中间层ti3c2o2的通量为2.288
×
107atoms
·
μm-2
·
s-1
。若要求进入工作态的锂离子数量刚好可以占满mos2的所有表面吸附位点(即每一个mos2原胞吸附一个锂离子)，仅需要施加44ms的刺激脉冲即可满足。而在工作态下，若不施加抑制电压，由于中间层的存在，离子无法扩散回到离子源，唯有在施加了抑制电压之后，离子才可以穿越中间层回到离子源。
[0050]
综上所述，工作电压无法完成所述场效应管双态间的转换，唯有特定的刺激电压和抑制电压到来才能使所述场效应管发生状态转换，且刺激脉冲和抑制脉冲的高电平持续时间相对较小。同时，在没有栅极电压作用时，位于中间层ti3c2o
2-离子源liclo4界面处的离子无法扩散至沟道材料表面。同时结合上述mos2/ti3c2o2异质结肖特基势垒和电子隧穿概率的计算结果，电子从沟道材料到中间层ti3c2o
2-离子源liclo4界面处(离子聚集区)的隧穿概率很小，减少了枝晶的形成几率，使器件具有高可靠性。