一种多端仿树突型神经形态器件及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种多端仿树突型神经形态器件及其制备方法。


背景技术：

2.人脑中包含有10
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个神经元，并且每个神经元通过超过1000个神经突触与相连神经元进行连接，构成复杂的神经网络。组成于多端结构的树突作为神经网络中关键的元素，在时空序列信息的处理过程中极大程度地提高了系统的计算效率。仅仅消耗20w的能耗，人脑就可以处理各式各样的信息并完成记忆等任务，为电子处理系统提供了新的发展思路。
3.铁电突触晶体管具有典型的三端结构，利用栅极可以施加突触前端刺激，利用漏极可以记录突触后电流响应，展现出优异的稳定性、低操作电压、低功耗、高耐久性等优势，具有应用于神经形态计算的潜力。


技术实现要素：

4.本发明公开一种多端仿树突型神经形态器件，包括：衬底；二维半导体材料，形成在所述衬底上，作为沟道；源电极和漏电极形成在所述二维半导体材料两侧；铪基铁电薄膜，覆盖上述结构；离子栅介质层，形成在所述铪基铁电薄膜上，位于所述沟道区的上方；多端顶栅，形成在所述离子栅介质层上，通过先后对多端顶栅施加不同时间、空间序列的电学脉冲刺激，获得时空影响下的树突器件的神经突触可塑性。
5.本发明的多端仿树突型神经形态器件中，优选为，所述二维半导体材料为mos2，ws2，res2，mose2，mote2，wse2。
6.本发明的多端仿树突型神经形态器件中，优选为，所述铪基铁电薄膜为hflaox，hfalox，hfsiox，hfzrox。
7.本发明的多端仿树突型神经形态器件中，优选为，所述离子栅介质层为liclo4，naclo4。
8.本发明的多端仿树突型神经形态器件中，优选为，所述多端顶栅为四个，四个电极两两相对，彼此分隔，整体呈十字状排列。
9.本发明还公开一种多端仿树突型神经形态器件制备方法，包括以下步骤：在所述衬底上形成二维半导体材料，作为沟道；在所述二维半导体材料两侧形成源电极和漏电极；形成铪基铁电薄膜，使其覆盖上述结构，在氮气氛围下进行快速热退火，使之具有铁电性；在所述铪基铁电薄膜上，所述沟道区的上方形成离子栅介质层；在所述离子栅介质层上形成多端顶栅，通过先后对多端顶栅施加不同时间、空间序列的电学脉冲刺激，获得时空影响下的树突器件的神经突触可塑性。
10.本发明的多端仿树突型神经形态器件制备方法中，优选为，所述二维半导体材料为mos2，ws2，res2，mose2，mote2，wse2。
11.本发明的多端仿树突型神经形态器件制备方法中，优选为，所述铪基铁电薄膜为
hflaox，hfalox，hfsiox，hfzrox。
12.本发明的多端仿树突型神经形态器件制备方法中，优选为，所述离子栅介质层为liclo4，naclo4。
13.本发明的多端仿树突型神经形态器件制备方法中，优选为，所述快速热退火的温度为60℃～120℃，时间为20s～120s。
14.有益效果：
15.(1)利用电子器件模拟神经网络中的树突，在多端调控的作用下实现时空信息的处理，打破了传统的同源型神经突触的两端限制，在神经网络处理时空信号时更具优势。
16.(2)利用铁电突触晶体管在稳定性、操作电压、能耗、耐久性等方面的优势，使得器件在实际应用场景中更加可靠和高效，为模拟树突型神经形态器件提供了核心基础。
17.(3)采用li离子栅作为多端调控的直接接触栅，采用li

的迁移实现信号的传递，与生物体系中的神经信号传递具有完美匹配性，适合于实现仿生的神经形态计算功能。
附图说明
18.图1是多端仿树突型神经形态器件制备方法的流程图。
19.图2～图6是多端仿树突型神经形态器件制备方法各阶段的流程图。
20.图7是多端仿树突型神经形态器件的运行示意图。
具体实施方式
21.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。
22.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。
23.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。
24.图1是多端仿树突型神经形态器件制备方法的流程图。如图1所示，多端仿树突型神经形态器件包括以下步骤：
25.步骤s1，准备硅片作为衬底100，用于制备多端仿树突型神经形态器件。衬底还可以是玻璃、sic等。
26.步骤s2，利用机械剥离法在衬底100上制备mos2薄膜101作为沟道材料，如图2所示。沟道材料还可以是ws2，res2，mose2，mote2，wse2等二维半导体材料。沟道材料的厚度优选
为2nm，范围可取1nm～10nm；长度优选为5μm，范围可取2μm～10μm；宽度优选为10μm，范围可取5μm～20μm。
27.步骤s3，利用光刻和物理气相沉积法在沟道两侧生长ti/au作为源电极102和漏电极103，如图3所示，其中，ti为粘附层，au为测试接触层。源漏电极还可以选取ti/al，ti/pt，ti/ni，ti/pd，cr/au，cr/al，cr/pt，cr/pd，cr/ni等；粘附层的厚度优选为10nm，范围可取5nm～15nm；测试接触层优选为50nm，范围可取30nm～100nm。
28.步骤s4，利用原子层沉积技术在上述器件上生长10nm厚度的hflaox铪基铁电薄膜104作为栅介质的一部分，如图4所示。随后采用快速热退火在氮气氛围下以400℃的温度退火40s，使薄膜具有铁电性。铪基铁电薄膜还可以选取hfalo
x
，hfsio
x
，hfzro
x
等铪基铁电薄膜；厚度优选为10nm，范围可取8nm～20nm；退火温度优选为400℃，范围可取350℃～550℃；退火时长优选为40s，范围可取20s～120s。
29.步骤s5，在铪基铁电薄膜104上滴涂liclo4溶液，溶液滴涂的位置在垂直方向上需覆盖沟道。随后在热板上以90℃烘烤20分钟，获得离子栅介质层105，如图5所示。溶液优选为liclo4溶液，可选具有li、na、ca等离子的溶液；热板烘烤温度优选为90℃，范围可取60℃～120℃；烘烤时长优选为20分钟，范围可取10分钟～30分钟。离子栅介质作为一种灵活的栅介质，通过li

等可移动离子的移动可以实现沟道电流的调控。这一过程与生物体内基于na

、k

等离子的扩散与转移过程具有完美的相似性，非常适合于模拟生物系统内的信息传递。特别是通过在离子栅覆盖区域可以非常简便地扩展栅电极数量，简单有效地获得生物树突的结构，在处理不同时空信号时具有明显优势。
30.步骤s6，利用光刻和物理气相沉积法在liclo4离子栅介质层105上沉积4个pt电极作为多端顶栅106,107,108,109，四个电极两两相对，彼此分隔，整体呈十字状排列，完成多端仿树突型神经形态器件的制备，如图6所示。顶栅材料还可以是al、pt、pd等金属材料；厚度优选为50nm，范围可取30nm～100nm。
31.如图6所示，多端仿树突型神经形态器件包括：衬底100；二维半导体材料101，形成在衬底100上，作为沟道；源电极102和漏电极103形成在二维半导体材料101两侧；铪基铁电薄膜104，覆盖上述结构；离子栅介质层105，形成在铪基铁电薄膜104上，位于沟道区的上方；多端顶栅106,107,108,109两两相对，彼此分隔，整体呈十字状排列，形成在离子栅介质层105上。
32.如图7所示，通过先后对4个栅极106,107,108,109施加不同时间、空间序列的电学脉冲刺激(信号输入1，信号输入2，信号输入3和信号输入4)，获得时空影响下的树突器件的神经突触可塑性。
33.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。