金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管及其制备方法

本发明涉及一种金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管及其制备方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术：

近些年，由于智能时代带来的大数据和人机交互的需求，传统冯诺依曼计算机架构遇见了诸如功耗高和体积大的瓶颈，难以满足未来人工智能计算的需求。基于神经算法的类人脑计算机系统的发展展示出了在后摩尔定律时代下突破传统冯诺依曼计算机系统瓶颈的潜力。有别于传统计算系机，人脑在较小的体积下展示出了能够大量数据处理，高效且低功耗的信息传输和计算的优点。生物学上，人脑由超过10¹⁵个突触以及10¹¹个神经元构成，连接着神经元的突触在人脑信息传输中起到关键性的作用，因此，仿生突触器件是发展类人脑计算机以及仿生人工智能系统发展的基石。近年来，基于金属氧化物材料的电子器件在仿生突触器件的实现上展示出了极大的潜力，同时多种能够在电学刺激或外界光刺激实现仿生突触功能的电子器件得到了广泛研究。但是若要实现多种电学刺激以及光学刺激仿生突触功能，往往需要集成多个器件以及相关电路，不利于应用于可穿戴设备，柔性电子器件，仿生视网膜与仿生皮肤等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种集成了电刺激调制的突触可塑性和光刺激调制的突触可塑性的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管，所述金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管包括衬底、形成在所述衬底上的栅电极、形成在所述栅电极上的介电层、形成在所述介电层上的第一有源层、形成在所述第一有源层的第二有源层、形成在所述第一有源层和所述第二有源层之间的二维电子气层、以及形成在所述第二有源层上的源电极和漏电极，所述第一有源层为金属氧化物异质结电刺激有源层，所述第二有源层为金属氧化物异质结光刺激有源层，所述第一有源层通过所述介电层被所述栅电极上施加的电脉冲信号刺激产生兴奋性突触后电流，并且所述第一有源层通过电脉冲信号刺激调制所述源电极和漏电极之间的电导率从而实现基于电刺激调制的突触可塑性，所述第二有源层在白光或不同波长的光刺激下产生兴奋性突触后电流并实现基于光刺激调制的突触可塑性。

进一步地，所述第一有源层的材料为氧化铟半导体。

进一步地，所述第二有源层的材料为氧化锌半导体。

进一步地，所述介电层的材料为具有高介电常数的金属氧化物。

进一步地，所述具有高介电常数的金属氧化物为具有突触效应的高介电常数金属氧化物或具有铁电极化特性的高介电常数金属氧化物。

进一步地，所述衬底为玻璃、二氧化硅、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的任一种。

进一步地，所述栅电极、源电极以及漏电极的材料为氧化铟锌、氧化铟锡、氧化锌铝、氮化钛、金、银、铜、铝中的一种或两种以上的组合。

本发明还一种金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管的制备方法，所述制备方法用以制备所述的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管，所述制备方法包括：

s1、提供衬底，对所述衬底进行清洗和亲水处理；

s2、在所述衬底上制备栅电极；

s3、对所述栅电极亲水处理并利用水溶液法，在所述栅电极上制备介电层；

s4、利用水溶液法，在所述介电层上制备第一有源层；

s5、利用水溶液法，在所述第一有源层上制备第二有源层；

s6、利用热蒸发工艺，在所述第二有源层上制备源电极和漏电极，得到金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管。

进一步地，所述第一有源层的具体制备步骤为：制备第一有源层前驱体溶液，并将所述第一有源层前驱体溶液滴于所述介电层上；以2000-6000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。

进一步地，所述第二有源层的具体制备步骤为：制备第二有源层前驱体溶液，并将所述第二有源层前驱体溶液滴于所述第一有源层上；以2000-6000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。

本发明的有益效果在于：

(1)金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管集成了光刺激调制的突触可塑性和电刺激调制的突触可塑性于单个晶体管上，结构简单。

(2)金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管的介电层、第一有源层和第二有源层的材料均为金属氧化物，可见光透过性高且可运用于柔性衬底上，以此可应用于可穿戴设备，柔性电子器件，仿生视网膜与仿生皮肤等器件上。

(3)第一有源层和第二有源层构成了金属氧化物异质结结构，两者之间形成的二维电子气实现较高的载流子迁移率，从而提高突触晶体管的性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明所示的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管的结构示意图；

图2为图1中所示的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管在不同光强光脉冲信号下的兴奋性突触后电流图，其中光脉冲信号由光源输入电压分别为3v、4v、5v、6v、7v、8v、9v、10v产生的白光脉冲信号；

图3为图1中所示的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管在不同电刺激脉冲信号下的兴奋性突触后电流图，其中电刺激脉冲信号的电压分别为1v、1.5v、2v；

图4为图1中所示的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本发明一实施例所示的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管，其包括衬底001、形成在衬底001上的栅电极002、形成在栅电极002上的介电层003、形成在介电层003上的第一有源层004、形成在第一有源层004的第二有源层006、形成在第一有源层004和第二有源层006之间的二维电子气层005、以及形成在第二有源层006上的源电极007和漏电极008。

第一有源层004为金属氧化物异质结电刺激有源层，第二有源层006为金属氧化物异质结光刺激有源层，第一有源层004通过介电层003被栅电极002上施加的电脉冲信号刺激产生兴奋性突触后电流，并且第一有源层004通过电脉冲信号刺激调制源电极007和漏电极008之间的电导率从而实现基于电刺激调制的突触可塑性，第二有源层006在白光或不同波长的光刺激下产生兴奋性突触后电流并实现基于光刺激调制的突触可塑性。并且，该光刺激可以为光脉冲信号刺激，通过光脉冲信号刺激，第二有源层006产生兴奋性突触后电流，以此调制电导率从而实现基于光刺激的突触可塑性。

其中，第一有源层004的材料为氧化铟半导体，其厚度范围为5-50nm。第二有源层006的材料为氧化锌半导体，其厚度范围为5-50nm。关于第一有源层004和第二有源层006的具体厚度可根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。第一有源层004和第二有源层006构成了金属氧化物异质结结构，两者之间形成的二维电子气层005实现较高的载流子迁移率，从而提高突触晶体管的性能。

介电层003的材料为具有高介电常数的金属氧化物，且具有高介电常数的金属氧化物为具有突触效应的高介电常数金属氧化物或具有铁电极化特性的高介电常数金属氧化物，比如氧化镓、氧化铪、氧化铝、氧化钽、氧化铱、氧化锆、氧化镧、氧化锂、氧化钪等材料。关于的具有高介电常数的金属氧化物还可以为其他材料，为了提高其性能，还可以考虑掺杂，在此不一一列举。介电层003的厚度范围为20-80nm。本实施例中，介电层003的材料为为5％锂掺杂的氧化铝高介电材料。

衬底001为玻璃、二氧化硅、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的任一种。衬底001可以为刚性衬底001或者柔性衬底001，本实施例中，衬底001为单晶硅且单晶硅的表面上形成有20-200nm厚度的二氧化硅，关于衬底001的材料在此不做具体限定，还可以其他材料，在此不一一列举，可根据实际需要选择合适的衬底001。

栅电极002、源电极007以及漏电极008的材料为氧化铟锌、氧化铟锡、氧化锌铝、氮化钛、金、银、铜、铝中的一种或两种以上的组合。本实施例中，栅电极002的材料为ito，厚度范围为200-400nm，源电极007和漏电极008的材料为铝，厚度范围为200-400nm。关于栅电极002、源电极007以及漏电极008的材料在此不做具体限定，还可以其他材料，在此不一一列举。需要说明的是，源电极007和漏电极008的位置在此不做具体限定，源电极007和漏电极008之间的距离看根据实际进行选择，此为现有技术，在此不再赘述。

本发明还一种金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管的制备方法，该制备方法用以制备上述的金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管，制备方法包括：

s1、提供衬底，对衬底进行清洗和亲水处理；

s2、在衬底上制备栅电极；

s3、对栅电极亲水处理并利用水溶液法，在栅电极上制备介电层；

s4、利用水溶液法，在介电层上制备第一有源层；

s5、利用水溶液法，在第一有源层上制备第二有源层；

s6、利用热蒸发工艺，在第二有源层上制备源电极和漏电极，得到金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管。

其中，第一有源层的具体制备步骤为：制备第一有源层前驱体溶液，并将第一有源层前驱体溶液滴于介电层上；以2000-6000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。第一有源层前驱体溶液为氧化铟溶液，氧化铟溶液的具体制备方法为：将0.22-2.2g的硝酸铟水合物溶于5-20ml的去离子水中，磁力搅拌5-60min，得到氧化铟溶液。

第二有源层的具体制备步骤为：制备第二有源层前驱体溶液，并将第二有源层前驱体溶液滴于第一有源层上；以2000-6000rpm的速度在空气中旋涂10-60s；在250-350℃的温度下退火。第二有源层前驱体溶液为氧化锌溶液，氧化锌溶液的具体制备方法为：将20-200mg的氧化锌纳米颗粒溶于5-100ml的饱和氨水中，磁力搅拌1-40h后在-18℃的环境下静置1-40h，得到氧化锌溶液。

该制备方法为溶液法，具有环保，低温，可大面积制备的特点，制备中较低的温度使得制备简单高效，制备成本较低，同时，低温制备可以匹配柔性器件，可在仿生等领域具有更广的应用。

关于金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管制备方法，下面进行详细说明。

步骤一、清洗并亲水处理衬底

提供表面具有20-200nm厚的二氧化硅的单晶硅作为衬底；将其完全浸入丙酮溶液中，超声清洗10-30min；再将衬底转移并完全浸入异丙醇溶液中，超声清洗10-30min；之后将衬底完全浸入乙醇溶液中，超声清洗10-30min；最后用去离子水冲洗衬底并用氮气吹干，从而完成了对衬底的清洗。

将清洗完成的衬底放入紫外臭氧清洗机内，并进行10-60min的表面臭氧清洗，得到表面亲水的衬底。

步骤二、制备栅电极

使用磁控溅射工艺，在衬底表面上制备200-400nm厚的ito得到栅电极。需要说明的是，若需要制备具有图形的栅电极，则可以在制备过程中通过光刻剥离技术或者在衬底上设置具有相应图案的掩模版制备带有图形的栅电极。

步骤三、制备介电层

先将具有ito的衬底在紫外臭氧清洗机内进行10-60min的表面臭氧清洗，使得栅电极表面亲水；制备锂掺杂的氧化铝前驱体溶液，具体的，将4.67-9.38g的硝酸铝九水合物和0.05-0.2g的硝酸锂溶于2-20ml的去离子水中并在35℃的条件下进行5-500min的磁力搅拌，通过0.22μm孔径的pes过滤嘴过滤后，将锂掺杂的氧化铝前驱体溶液滴在ito表面上并在2000-6000rpm下进行旋涂10-60s；放置在加热板上，250-350℃下退火处理，得到20-80nm厚的氧化铝薄膜。

需要说明的是，若需要制备具有图形的介电层，则可以在臭氧清洗过程中在ito表面上设置具有相应图案的掩模版，进行选择性紫外臭氧清洗，或通过光刻剥离技术则可得到具有图形的介电层，此为现有技术，在此不再赘述。

步骤四、制备第一有源层

制备第一有源层前驱体溶液，具体的，将0.22-2.2g的硝酸铟水合物溶于5-20ml的去离子水中，磁力搅拌5-60min；通过0.22μm孔径的ptfe过滤嘴过滤后，将第一有源层前驱体溶液滴在介电层表面上并在2000-6000rpm下进行旋涂10-60s；放置在加热板上，250-350℃下退火处理，得到5-50nm厚的氧化铟电刺激有源层。

步骤五、制备第二有源层

制备第二有源层前驱体溶液，具体的，将20-200mg的氧化锌纳米颗粒溶于5-100ml的饱和氨水中，磁力搅拌1-40h后在-18℃的环境下静置1-40h；通过0.22μm孔径的ptfe过滤嘴过滤后，将第二有源层前驱体溶液滴在第一有源层表面上并在2000-6000rpm下进行旋涂10-60s；放置在加热板上，250-350℃下退火处理，得到5-50nm厚的氧化锌电刺激有源层。

需要说明的是，若需要制备具有图形的第一有源层或第二有源层，则可以通过选择性紫外处理，或通过光刻剥离技术则可得到具有图形的有源层薄膜，此为现有技术，在此不再赘述。

步骤六、制备源电极和漏电极

先在第二有源层上覆盖掩模版，然后进行电子束蒸镀200-400nm厚的铝作为源电极和漏电极。源电极和漏电极也可以具有图形，具体图形可根据实际进行选择，或通过光刻剥离技术也可得到具有图形的源电极和漏电极，此为现有技术，在此不再赘述。

请参见图2至图4，本发明通过金属氧化物有源层的设计，集成了光刺激调制的突触可塑性和电刺激调制的突触可塑性于单个晶体管上。两层金属氧化物薄膜构成了金属氧化物异质结结构且之间形成的二维电子气实现了高迁移率场效应晶体管突触器件。图2为光刺激调制的兴奋性突触后电流，在较弱(通过较低的光源输入电压产生的弱光脉冲信号)的光强下实现短时程突触可塑性，在较强的光强下(通过较高的光源输入电压产生的强光脉冲信号)可以实现长时程突触可塑性。图3为电刺激调制的兴奋性突触后电流，在较高的电刺激脉冲下可以实现长时程突触可塑性，在较低的电刺激脉冲下可以实现短时程突触可塑性。图4为本发明得到的突触晶体管的转移特性曲线，其饱和区迁移率高达到120cm²v^-1s^-1，在金属氧化物半导体仿生突触晶体管中处于极高的水平，通过双层金属氧化物有源层的设计在异质结间形成二维电子气从而得到高迁移率的突触晶体管，高迁移率的突触晶体管既能对电学刺激产生响应也能对外界光刺激产生响应，从而实现多种基于电刺激或光刺激诸如长时程突触可塑性，短时程突触可塑性等仿生功能。

综上，(1)金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管集成了光刺激调制的突触可塑性和电刺激调制的突触可塑性于单个晶体管上，结构简单。

(2)金属氧化物异质结光电刺激突触晶体管的介电层、第一有源层和第二有源层的材料均为金属氧化物，可见光透过性高且可运用于柔性衬底上，以此可应用于可穿戴设备，柔性电子器件，仿生视网膜与仿生皮肤等器件上。

(3)第一有源层和第二有源层构成了金属氧化物异质结结构，两者之间形成的二维电子气实现较高的载流子迁移率，从而提高突触晶体管的性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。