本發(fā)明特別涉及一種日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管及其制備方法和應(yīng)用，屬于微電子器件。

背景技術(shù)：

1、近年來，傳統(tǒng)數(shù)字計算所依賴的馮·諾依曼構(gòu)架在并行處理數(shù)據(jù)方面逐漸展現(xiàn)劣勢，無法滿足飛速增長的大數(shù)據(jù)處理需求，成為了制約當(dāng)前計算應(yīng)用技術(shù)的瓶頸。因此，開發(fā)非馮·諾依曼構(gòu)架的高速并行計算系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢。

2、生物體大腦中的神經(jīng)系統(tǒng)是一種效率非常高的信息處理系統(tǒng)，其基于神經(jīng)元以及突觸構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以極低的能耗高度并行，而相鄰的神經(jīng)元之間往往依賴于突觸進(jìn)行信息傳遞。來自前突觸神經(jīng)元不同強(qiáng)度的電信號轉(zhuǎn)化成名為神經(jīng)遞質(zhì)的化學(xué)信號，經(jīng)過突觸間隙后，神經(jīng)遞質(zhì)又會與后突觸神經(jīng)元結(jié)合，重新產(chǎn)生響應(yīng)強(qiáng)度的生物電信號，同時每個神經(jīng)元可以根據(jù)記憶的突觸強(qiáng)度選擇要傳輸?shù)男畔?。基于突觸的工作機(jī)制，研究人員提出了由大量人工突觸晶體管組成的硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算技術(shù)。在硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算技術(shù)中，與常規(guī)邏輯電路不同，一個突觸晶體管可直接連接到大量的其它突觸器件，形成信息傳遞的高度互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以高度并行的模式處理數(shù)據(jù)。近些年來，突觸晶體管作為硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算技術(shù)中的最基本元器件，逐漸成為了人工智能領(lǐng)域的研究重點。

3、mxene是一類二維金屬碳化物，其基本結(jié)構(gòu)由2-5層過渡金屬和碳/氮層所組成；它們具有出色的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如金屬導(dǎo)電性，水溶性，高光學(xué)透明性（>97％/nm），近些年mxene及其衍生物已經(jīng)受到了越來越多的研究關(guān)注，且已在各種應(yīng)用中表現(xiàn)出卓越的性能，例如儲能，電子，emi屏蔽，傳感器，水凈化和脫鹽。

4、例如v2c?mxene表面的親水性官能團(tuán)（o，oh和f）與導(dǎo)電核的結(jié)合使mxene成為第一種無需任何表面活性劑的幫助的水溶性二維導(dǎo)電材料。在空氣中，v2c?mxene納米片的邊緣和缺陷處會發(fā)生不可逆的氧化，這導(dǎo)致mxene逐漸轉(zhuǎn)化為金屬氧化物和無定形碳。這種氧化雖然限制了mxene的壽命，但適度的氧化會形成mxene-vo2核殼結(jié)構(gòu)材料，其中的mxene核與vo2殼可分別作為電荷俘獲層與隧穿層，應(yīng)用與電荷俘獲-隧穿存儲器件中。將這種存儲功能器件與鐵電絕緣材料結(jié)合形成的薄膜晶體管可實現(xiàn)在電脈沖與機(jī)械壓力輸入下的壓力感受與仿生物神經(jīng)突觸功能。

5、cn112397392a公開了一種仿生突觸晶體管及其制備方法，包括：s1、提供襯底，在襯底的一表面形成源電極和漏電極；s2、制備溝道層前驅(qū)體水溶液，并在源電極、漏電極和襯底上旋涂形成溝道層；s3、制備電荷俘獲-隧穿層前驅(qū)體水溶液，并在溝道層上旋涂形成電荷俘獲-隧穿層；s4、制備鐵電絕緣層前驅(qū)體水溶液，并在電荷俘獲-隧穿層上旋涂形成鐵電絕緣層；s5、在鐵電絕緣層上表面形成柵電極，得到仿生突觸晶體管。整個制備工藝可在非真空大氣條件下進(jìn)行，并且溫度不超過300℃，屬于低溫工藝，工藝簡單，無需傳統(tǒng)意義上的光刻與真空鍍膜，可大幅減少制備時長，生產(chǎn)成本較低，得到的仿生突觸晶體管基于可在感受器、存儲器和人工智能領(lǐng)域中有重要應(yīng)用潛力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種日盲紫外光可觸發(fā)特性以及利用電荷俘獲-隧穿存儲器原理的低成本的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管及其制備方法和應(yīng)用，所述仿生突觸晶體管可實現(xiàn)光電信號的記憶功能，模仿生物突觸的長期神經(jīng)可塑性，制備工藝簡單且成本較低，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

2、為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

3、本發(fā)明實施例的第一個方面提供了一種日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，包括外延結(jié)構(gòu)以及與外延結(jié)構(gòu)匹配的源極、漏極，所述外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊設(shè)置的介電層、電荷俘獲-隧穿層和感光溝道層，所述源極、所述漏極設(shè)置在所述感光溝道層上并經(jīng)所述感光溝道層電連接，其中，所述感光溝道層包含氧化鎵材料，所述感光溝道層能夠?qū)Χ滩ㄗ贤夤猱a(chǎn)生響應(yīng)。

4、本發(fā)明實施例的第二個方面提供了一種日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管的制備方法，包括制作外延結(jié)構(gòu)以及制作與所述外延結(jié)構(gòu)匹配的源極、漏極，其中，制作所述外延結(jié)構(gòu)的方法包括：

5、在介電層上制作依次層疊的電荷俘獲-隧穿層和感光溝道層，所述源極、所述漏極設(shè)置在所述感光溝道層上并經(jīng)所述感光溝道層電連接，其中，所述感光溝道層包含氧化鎵材料，所述感光溝道層能夠?qū)Χ滩ㄗ贤夤猱a(chǎn)生響應(yīng)。

6、本發(fā)明實施例的第三個方面提供了一種感光器件，其包括所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管。

7、本發(fā)明實施例的第四個方面提供了一種圖像識別裝置，其包括多個所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，多個所述仿生突觸晶體管呈陣列分布。

8、本發(fā)明實施例的第五個方面提供了一種圖像識別方法，其包括：

9、提供所述的圖像識別裝置；

10、每一個仿生突觸晶體管對應(yīng)一個像素，將每一行的多個所述仿生突觸晶體管的光電響應(yīng)電流之和記錄作為特征，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行訓(xùn)練，實現(xiàn)輸入圖像的識別功能，模仿生物對于圖像的視覺識別。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：

12、(1)?本發(fā)明陣列包括多個晶體管器件，每一個晶體管可表示一個圖像的像素，可將每一行的光電響應(yīng)電流之和記錄作為特征，通過相關(guān)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行訓(xùn)練，實現(xiàn)對于輸入圖像的識別功能，模仿生物對于圖像的視覺識別；

13、(2)?本發(fā)明所述仿生突觸晶體管的溝道電導(dǎo)率上升非線性度在1.25以內(nèi)，溝道電導(dǎo)率下降非線性度在2.05以內(nèi)，溝道電導(dǎo)率最大/最小值之比在30以上，訓(xùn)練后圖像識別率在51％以上；在優(yōu)選的技術(shù)方案中，本發(fā)明所述仿生突觸晶體管的溝道電導(dǎo)率上升非線性度在0.5以內(nèi)，溝道電導(dǎo)率下降非線性度在0.9以內(nèi)，溝道電導(dǎo)率最大/最小值之比在70以上，訓(xùn)練后圖像識別率在80％以上；

14、(3)?本發(fā)明整個工藝流程中最高溫度為300℃，屬于低溫工藝；

15、(4)?本發(fā)明的圖案化工藝與電極生長工藝比較簡單，無需傳統(tǒng)意義上的光刻與真空下鍍膜，可大幅減少生產(chǎn)時間與經(jīng)濟(jì)成本。

技術(shù)特征：

1.一種日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，包括外延結(jié)構(gòu)以及與外延結(jié)構(gòu)匹配的源極、漏極，其特征在于：所述外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊設(shè)置的介電層、電荷俘獲-隧穿層和感光溝道層，所述源極、所述漏極設(shè)置在所述感光溝道層上并經(jīng)所述感光溝道層電連接，其中，所述感光溝道層包含氧化鎵材料，所述感光溝道層能夠?qū)Χ滩ㄗ贤夤猱a(chǎn)生響應(yīng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，其特征在于：所述感光溝道層的厚度為15nm-30nm；

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，其特征在于：所述電荷俘獲-隧穿層包括電荷俘獲層以及包覆于所述電荷俘獲層表面的隧穿層；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，其特征在于：當(dāng)所述感光溝道層接收短波紫外光時，所述日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管的溝道電導(dǎo)率發(fā)生漸變；

5.一種日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管的制備方法，包括制作外延結(jié)構(gòu)以及制作與所述外延結(jié)構(gòu)匹配的源極、漏極，其特征在于，制作所述外延結(jié)構(gòu)的方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管的制備方法，其特征在于，制作所述外延結(jié)構(gòu)的方法包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管的制備方法，其特征在于，所述電荷俘獲-隧穿層的制備方法包括：

8.一種感光器件，其特征在于，包括：如權(quán)利要求1-4中任一項所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管。

9.一種圖像識別裝置，其特征在于，包括：多個如權(quán)利要求1-4中任一項所述的日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管，多個所述仿生突觸晶體管呈陣列分布。

10.一種圖像識別方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種日盲紫外光可觸發(fā)的仿生突觸晶體管及其制備方法和應(yīng)用。該器件以二氧化硅/Si材料為基底，其上設(shè)置有V<subgt;2</subgt;C?MXene電荷俘獲層、自組裝VO<subgt;2</subgt;隧穿層、氧化鎵感光溝道層、源/漏電極。其電荷俘獲層及其自組裝的隧穿層為溶液旋涂法制備的VO<subgt;2</subgt;?V<subgt;2</subgt;C?MXene的核殼結(jié)構(gòu)材料。感光溝道層為溶液旋涂法制備的氧化鎵半導(dǎo)體材料。源、漏電極為電子束蒸發(fā)制備的金電極。除源/漏電極外，其余功能層可在非真空大氣條件下進(jìn)行制備，溫度不超過200攝氏度，生產(chǎn)成本較低，在短波長的日盲紫外光刺激下，可實現(xiàn)對于光學(xué)信號的神經(jīng)可塑性響應(yīng)。

技術(shù)研發(fā)人員：康黎星,李阿蕾,沈棕杰,姚建
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19