一种类胶质细胞神经形态器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体领域和仿生领域，涉及神经形态器件，具体涉及一种类胶质细胞神经形态器件及其制备方法。

背景技术：

伴随着大数据时代的到来，传统冯诺依曼架构因为存和算模块相互独立、顺序计算等特点造成计算机的低运算效率、高功耗问题日益严峻。为解决这一问题，模拟人类大脑计算架构的神经形态计算广受关注。因此作为神经形态计算最基本单元的神经形态器件也成为大家研究的热点。当前神经形态器件的研究主要落脚在人工突触器件和神经元器件上。

神经元器件顾名思义就是在器件上模拟实现生物神经元功能。神经元分为细胞体和突起两部分。突起有树突和轴突两种，起到接受其他神经元轴突传来的冲动并传给细胞体的作用。细胞体主要作用在于联络和整合输入信息并传出信息。通常，人们用模拟运算放大器来代表胞体，用导线来代表树突和轴突，用电阻器来代表突触连接，其阻值即为连接权值，以此充分发挥神经网络并行处理的特点。

生物突触作为神经元之间的连接单元，是神经元器件的研究基础。突触是由突触前膜、突触间隙和突触后膜组成。信号传递到突触前膜，刺激前膜中的囊泡释放神经递质，递质经过突触间隙到达突触后膜，改变后膜的动作电位。该过程对信号进行了传递。人工突触器件是将金属电极拟作突触的前膜和后膜，两电极间的半导体或者掺杂绝缘体拟作突触间隙，然后实现一系列的突触行为，如长时程可塑性、短时程可塑性、双脉冲易化、突触的再可塑性等，为神经形态计算的实现打下坚实的基础。

但是在生物中，突触的周围环境胶质细胞对突触的信号传递也有着较为重要的影响。神经元轴突的钾离子外流，会导致胶质细胞去极化，从而使得胶质细胞中的ca²⁺浓度增多，并以钙波的形式通过缝隙连接在胶质细胞中传播，致使胶质细胞释放神经递质(谷氨酸、atp、d-丝氨酸、同型半胱氨酸等)，作用于突触前膜或后膜，从而对突触的长时程、短时程可塑性造成影响。但在目前的神经形态器件的研究过程中，大家仅仅只是将目光放在生物突触本身以及神经元的累积发放特性上，而忽略了突触的周围环境对其突触功能的影响。因此，充分借鉴胶质细胞对突触功能的影响制备突触器件显得十分必要和关键。

技术实现要素：

为了解决当前神经形态器件在模拟突触功能方面对于突触周围环境的忽视，本发明的一个目的是提出一种类胶质细胞的神经形态器件，用以模拟突触周围环境对突触功能的影响。

本发明的类胶质细胞神经形态器件，包括绝缘衬底和位于衬底上的底电极、阻变层、介质层和顶电极，其中，所述底电极位于绝缘衬底之上，所述介质层位于底电极之上，该介质层中经图形化刻蚀出孔结构，孔的底部暴露出底电极；所述阻变层覆盖在该孔底部和侧壁，以及包裹在该孔周围的介质层上；所述顶电极位于阻变层上；所述阻变层和介质层皆为半导体材料，但阻变层中的离子迁移率或离子浓度与介质层不同，且介质层的厚度大于阻变层。

对于上述类胶质细胞神经形态器件，通过在顶、底电极上施加电压，会改变介质层和阻变层中的电场强度分布，由于介质层和阻变层中的离子浓度或者离子迁移率不同，两者中的离子会因为径向运动而相互作用，从而影响阻变层中导电细丝的形成和熔断动力学，进而有效的模拟突触周围环境对突触可塑性的影响。

上述类胶质细胞神经形态器件中，器件的阻变是发生在阻变层中，而非介质层，所以需要通过增大介质层的厚度来避免介质层发生阻变。优选的，介质层至少比阻变层厚20nm以上，而孔结构的高由介质层的厚度决定。

上述类胶质细胞神经形态器件中，阻变层材料的离子迁移率或者离子浓度与介质层不相同，这样才能保证两种材料之间有离子的交换。当阻变层的离子迁移率快于介质层，或者离子浓度高于介质层时，介质层对阻变层的阻变起促进作用。当阻变层的离子迁移率慢于介质层，或者离子浓度低于介质层时，介质层对阻变层的阻变起抑制作用。

上述类胶质细胞神经形态器件中，所述阻变层位于介质层包裹的孔中以及孔周围的介质层上，孔结构的底面积和高决定了阻变区域的大小。介质层与阻变层之间的接触表面积越小，对器件阻变的影响越显著，即发生阻变时，介质层距离阻变层中的导电细丝越近，对器件阻变的影响也就越显著。优选的，所述孔结构的底面积在100μm²以下。

上述类胶质细胞神经形态器件中，所述绝缘衬底可以是表面为绝缘层的硅衬底或柔性有机材料衬底。

所述顶电极和底电极优选为金属电极，由金属材料通过半导体cmos工艺实现，可采用多种金属材料，如ti、al、au、w、cu、pt、pd和tin；厚度为30nm～200nm。

所述阻变层可以采用金属氧化物材料，例如taox、hfox、nbox、tiox、hfzrxoy，其中x、y代表氧化物中相应元素的占比，厚度在5nm～100nm之间；也可以采用有机材料，如parylene，厚度在30nm～500nm之间。

所述介质层可以采用氧化物材料，例如sio2、tio2、al2o3、hfo2、ta2o5、zro2，厚度在30～200nm之间。

本发明还提供上述类胶质细胞神经形态器件的制备方法，包括如下步骤：

1)在绝缘衬底上光刻定义底电极的图形，制备底电极；

2)在绝缘衬底和底电极上淀积介质层材料，制备介质层；

3)在介质层上光刻定义阻变层图形，刻蚀介质层，刻蚀截至层为底电极，去除光刻胶，在介质层上形成孔结构；

4)淀积阻变层，覆盖步骤3)形成的孔结构的底面和侧壁，以及孔周围的介质层；

5)在阻变层上光刻定义顶电极图形，制备顶电极；

6)光刻定义底电极引出孔的图形，刻蚀阻变层和介质层，刻蚀截至层为底电极，去除光刻胶，形成底电极引出孔。

上述步骤1)中所述绝缘衬底的获得可以采用半导体cmos工艺，如低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、热氧化等方式，在半导体衬底上生长一定厚度(如100nm～1000nm厚)的半导体氧化物薄膜，从而保证与底面衬底绝缘。

上述步骤1)在绝缘衬底上旋涂光刻胶，光刻定义底电极的图形，然后淀积底电极金属，剥离光刻胶形成底电极。具体的，底电极可以采用物理气相沉积(pvd)或电子束蒸发制备。

上述步骤2)在绝缘衬底和底电极上淀积介质层材料的方法可以采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)或者原子层沉积(ald)。

上述步骤3)优选采用电子束光刻来定义阻变层图形。

上述步骤4)淀积整层阻变层可以采用反应溅射、磁控溅射或原子层沉积来制备。

上述步骤5)光刻定义顶电极图形，淀积顶电极金属，然后剥离光刻胶形成电极。可以采用物理气相沉积(pvd)或电子束蒸发制备顶电极。

上述步骤6)形成底电极引出孔后，将底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端，即完成垂直结构的类胶质细胞神经形态器件的制备。

本发明的技术优势主要体现在：

本发明采用孔结构来制备器件，将阻变层包裹在介质层中。通过在顶、底电极上施加电压，改变介质层和阻变层中的电场强度分布，介质层和阻变层会因为离子浓度或者离子迁移率不同，而发生离子的交互作用，从而影响阻变层中导电细丝的形成和熔断动力学，进而有效的模拟突触周围环境对突触可塑性的影响。该类胶质细胞神经形态器件的低功耗以及制备工艺与传统cmos工艺相兼容。与现有的神经形态器件相比，本发明的类胶质细胞神经形态器件具有更高的仿生程度，对于未来的类脑计算硬件的实现具有重要的意义。

附图说明

图1至图5为本发明实施例制备的类胶质细胞神经形态器件的制备流程图，其中：

图1是在硅基底上生长二氧化硅制得衬底的示意图；

图2是在衬底上制备底电极的示意图；

图3是在衬底和底电极上制备介质层的示意图；

图4是在介质层上制备阻变层的示意图；

图5是制备完成的类胶质细胞神经形态器件的剖示图；

图1至图5中，0-硅基底，1-二氧化硅层，2-粘附层，3-底电极，4-介质层，5-阻变层，6-顶电极，7-保护电极。

图6为本发明实施例制备的类胶质细胞神经形态器件的俯视图。

图7为本发明实施例制备的类胶质细胞神经形态器件基于sio2介质层的器件电学性能图；

图8为本发明实施例制备的类胶质细胞神经形态器件的基于ta2o5介质层的器件电学性能图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

在这里，为了成功模拟生物中胶质细胞的作用，即展示类胶质细胞神经形态器件的实用性，我们在制备中选用了两种具有不同离子迁移率的介质层来制备器件，通过对比，来展示介质层对类胶质细胞神经形态器件性能的影响。

本实施例制备的类胶质细胞神经形态器件结构如图5所示，包括：衬底、底电极3、介质层4、阻变层5、顶电极6；其中，在衬底上定义底电极3的图形；剥离光刻胶后生长介质层4；通过光刻和刻蚀形成阻变层的通孔，在介质层4上生长阻变层5；定义出顶电极6的图形te；并在介质层4和阻变层5上形成底电极引出端be。

本实施例的类胶质细胞神经形态器件的制备方法，包括以下步骤：

1)提供衬底，共两片，分别标记a、b：采用si基底0，在si基底0上进一步生长二氧化硅1，从而与地面彻底绝缘，如图1所示；

2)在样品a、b的衬底上均做以下操作：旋涂光刻胶，通过光刻在光刻胶上定义出底电极的图形，在衬底上的底电极的图形上依次淀积厚度5～10nm的ti形成粘附层2、厚度50～100nm的pt形成底电极3，如图2所示；

3)分别在样品a、b的衬底和底电极上磁控溅射30～100nm的sio2和ta2o5形成介质层4，如图3所示；

4)在样品a、b的衬底上均做以下操作：在介质层4上采用光刻技术来定义阻变层5图形，图形大小为2μm×2μm。刻蚀介质层4，刻蚀截止层为底电极3，去除光刻胶，在介质层4上形成阻变层5的孔结构，并采用磁控溅射淀积hfo2形成整层阻变层5，如图4所示；

5)在样品a、b的衬底上均做以下操作：光刻定义顶电极图形，用电子束蒸发分别淀积5～10nm的ti形成顶电极6、50～100nm的pt形成保护电极7，剥离光刻胶形成顶电极，如图5所示；

6)在样品a、b的衬底上均做以下操作：光刻定义底电极引出孔的图形。刻蚀阻变层5和介质层4，刻蚀截止层为底电极3，去除光刻胶形成底电极引出孔，并将底电极引出孔暴露出来的那部分底电极作为底电极引出端，完成本发明垂直结构的类胶质细胞神经形态器件的制备，如图5所示，得到的器件俯视图如图6所示。

即在此实施例中，我们制备了两种类胶质细胞神经形态器件pt/ta2o5:hfo2/ti和pt/sio2:hfo2/ti，除介质层和因介质层的不同而造成的刻蚀条件的不同之外，其他工艺的制备均相同，用以说明周围的介质材料确实会对类胶质细胞神经形态器件的性能造成影响。

通过本实施例的方法制备的类胶质细胞神经形态器件，采用直流电压扫描的方法得到的电学特性如图7和8所示：图7为基于pt/sio2:hfo2/ti的胶质细胞在20个循环电压扫描下的i-v特性图，图8为基于pt/ta2o5:hfo2/ti的胶质细胞在20个循环电压扫描下的i-v特性图。将两个电学性能图进行对比可以看出：1)对于介质层中离子迁移率较强的ta2o5来说，其set和reset所需电压均较介质层为sio2的器件小；2)对比set过程，介质层为ta2o5的器件的阻变过程更为缓慢；3)而对于reset而言，介质层为ta2o5的器件在电压约为-0.5v～-0.8v之间阻变较介质层为sio2的器件缓慢，且在类脑计算中，神经形态器件的阻值转变只用截取一段set和reset的一段就可，因此基于pt/ta2o5:hfo2/ti的类胶质细胞神经形态器件在set和reset的后半段我们可以截取不用，并不影响应用。该电学性能表明选用不同的介质层材料的确对类胶质细胞神经形态器件的性能产生了影响，且选用离子迁移率强的介质层会对类胶质细胞神经形态器件的电学性能有一定的优化。

以上结果证明，根据本发明的技术方案所制备的类胶质细胞神经形态器件的电学模拟特性会受到介质层的有效调制作用，实现了模拟生物胶质细胞对突触功能的调控。

最后需要注意的是，以上实施例仅用以进一步理解本发明而非对其进行限制。但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。