一种量子点增强的柔性低功耗神经突触器件及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种量子点增强的柔性低功耗神经突触器件及其制备方法。


背景技术：

2.传统的计算体系面临着冯
·
诺依曼式架构的信息延迟弊端，急需开发一种新型存算一体架构，满足信息的同步处理与存储。受到人脑的启发，神经计算应运而生。由于神经计算任务难以离开神经突触的信息传递与处理，开发神经突触型器件是实现基于硬件的神经计算的第一步。
3.铁电神经突触器件依靠极化翻转实现权重状态的可控调制，实现神经突触可塑性的模拟。然而，传统的铁电器件如bifeo3、pbtio3以及新兴的铪基铁电材料均需要高温的生长或退火等制备工艺，难以满足柔性电子的制备需求。得益于优异的弯曲性以及低温、低成本的制备工艺，有机铁电材料逐渐得到发展，具有应用于制备柔性神经突触器件的潜力。
4.生物中的神经突触的功耗为10fj/尖峰，而大多数报道的电子神经突触的功耗集中在pj，非常不利于神经形态计算的功耗降低。因此，通过设计合适的材料体系与器件结构，实现器件的功耗降低，对于柔性神经突触器件的发展至关重要。
5.半导体量子点作为一种新型零维材料体系，具有独特的量子尺寸效应以及局域电场调控能力，可以集成在器件的功能层中实现整体性能的调控，具有对器件的工作区域进行限制定义的潜力，对降低器件的整体功耗具有极大的应用价值。


技术实现要素：

6.本发明公开一种量子点增强的柔性低功耗神经突触器件，包括：柔性衬底；底电极，形成在所述柔性衬底上；二维半导体量子点层，形成在所述底电极上；有机铁电层，形成在所述二维半导体量子点层上；二维半导体量子点层，形成在所述有机铁电层上；顶电极，形成在所述二维半导体量子点层上；利用电学脉冲作为输入信号源在顶电极施加激励，实现量子点局域电场下调控的有机铁电层极化翻转，获得低功耗的长时程增强和抑制特性。
7.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件中，优选为，所述柔性衬底为pet、pen、pdms、聚酰亚胺、柔性玻璃。
8.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件中，优选为，所述二维半导体量子点层为mos2，ws2，wse2，res2，bp。
9.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件中，优选为，所述有机铁电层为p(vdf-trfe)。
10.本发明还公开一种量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法，包括以下步骤：在柔性衬底上形成底电极；在所述底电极上形成二维半导体量子点层；在所述二维半导体量子点层上形成有机铁电层；在所述有机铁电层上形成二维半导体量子点层；在所述二维半导体量子点层上形成顶电极；利用电学脉冲作为输入信号源在顶电极施加激励，实现
量子点局域电场下调控的有机铁电层极化翻转，获得低功耗的长时程增强和抑制特性。
11.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法中，优选为，所述柔性衬底为pet、pen、pdms、聚酰亚胺、柔性玻璃。
12.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法中，优选为，所述二维半导体量子点层为mos2，ws2，wse2，res2，bp。
13.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法中，优选为，形成二维半导体量子点层的步骤具体包括：利用旋涂法在底电极/有机铁电层上铺满二维半导体量子点溶液；利用甩胶机以1000r/min～4500r/min的转速旋涂30s～120s；利用热板在50℃～150℃烘烤5分钟～30分钟，获得二维半导体量子点层。
14.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法中，优选为，所述有机铁电层为p(vdf-trfe)。
15.本发明的量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法中，优选为，形成有机铁电层的步骤具体包括：利用旋涂法在二维半导体量子点层上以1000r/min～4000r/min的转速旋涂p(vdf-trfe)溶液30s～120s；在热板上以50℃～80℃烘烤5分钟～30分钟，去除溶剂成膜；随后在热板上进行退火，以100℃～180℃烘烤1小时～6小时，获得p(vdf-trfe)铁电层。
16.有益效果：
17.(1)打破传统的冯诺依曼式计算架构，使用具有存储与计算功能的铁电神经突触器件对信息进行处理，可以极大限度地减少硬件传递过程中带来的延迟，提高系统的计算效率。
18.(2)利用有机铁电材料制备柔性神经突触器件，不仅具有优异的耐弯曲性，而且具有低成本及低温制备优势，非常适合于将器件应用于柔性电子领域。
19.(3)使用半导体量子点对器件的性能进行增强，器件在极化翻转过程中的能耗大大降低，为构建比生物能耗更低的神经计算器件提供了有效方法，对于低功耗类脑计算体系意义重大。
附图说明
20.图1是量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法流程图。
21.图2～图6是量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法各阶段的结构示意图。
22.图7是量子点增强的柔性低功耗神经突触器件的运行示意图。
具体实施方式
23.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。
24.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。
25.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。
26.图1是量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法流程图。如图1所示，量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备方法包括以下步骤：
27.在步骤s1中，准备30μm～300μm厚的柔性聚酰亚胺衬底用于制备量子点增强的柔性低功耗神经突触器件。柔性衬底还可以是pet、pen、pdms、柔性玻璃等。
28.在步骤s2中，利用物理气相沉积方法在柔性衬底100上制备厚度为50nm～100nm的al作为底电极101，如图2所示。底电极的材料还可以是ti、ni、pt、au等。
29.在步骤s3中，利用旋涂法在底电极101上铺满mos2量子点溶液，利用甩胶机以1000r/min～4500r/min的转速旋涂30s～120s，利用热板在50℃～150℃的温度下烘烤5分钟～30分钟，获得mos2量子点层102，如图3所示。二维半导体量子点层的材料还可以是ws2，wse2，res2，bp等。
30.在步骤s4中，利用旋涂法在mos2量子点层102上以1000r/min～4000r/min的转速旋涂p(vdf-trfe)溶液30s～120s。然后，在热板上以50℃～80℃的温度烘烤5分钟～30分钟，去除溶剂成膜。随后在热板上进行退火，以100℃～180℃的温度烘烤1小时～6小时，获得p(vdf-trfe)铁电层103，如图4所示。
31.在步骤s5中，利用旋涂法在p(vdf-trfe)铁电层103上铺满mos2量子点溶液，利用甩胶机以1000r/min～4500r/min的转速旋涂30s～120s，利用热板在50℃～150℃的温度烘烤5分钟～30分钟，获得mos2量子点层104，如图5所示。二维半导体量子点层的材料还可以是ws2，wse2，res2，bp等。
32.在步骤s6中，利用物理气相沉积制备厚度为50nm～100nm的au作为顶电极105，完成量子点增强的柔性低功耗神经突触器件制备，如图6所示。顶电极材料还可以是al、ti、ni、pt等。
33.如图6所示，量子点增强的柔性低功耗神经突触器件，包括：柔性衬底100；底电极101，形成在柔性衬底100上；二维半导体量子点层102，形成在底电极101上；有机铁电层103，形成在二维半导体量子点层102上；二维半导体量子点层104，形成在有机铁电层103上；顶电极105，形成在二维半导体量子点层104上。
34.如图7所示，利用电学脉冲作为输入信号源在顶电极105施加激励，实现量子点局域电场下调控的有机铁电层极化翻转，获得低功耗的长时程增强和抑制特性(ltp/ltd)。
35.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。