一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管及其制备方法

本发明属于半导体技术和神经形态硬件领域，具体的说是涉及一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、随着在硬件层面实现人工智能这一趋势的发展，神经形态电子学受到越来越多的关注。目前计算机硬件系统的基本逻辑架构为冯诺依曼结构，该结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要cpu从存储器取出指令和数据进行相应的计算，这将导致不同类型的存储器之间存在“存储墙”的影响，限制了计算机的工作速度。因此，迫切需要在计算机体系结构和存储技术方面有重大的突破。

2、人脑由大约1011个神经元和1015个突触组成，它在结构上是大规模并行的，在功能上可以实现存算一体，其功耗远低于计算机。受脑启发的神经形态计算架构在某些方面可以超越经典的冯诺依曼架构，对推动可处理复杂任务的人工智能发展起着重要的作用。突触器件是实现神经形态的基石，目前，人工突触器件主要包括忆阻器、突触晶体管以及忆阻晶体管。目前，绝大多数突触器件采用双极性电压调节突触权重，在电路中，负向电压是由正向电压经外围电路变换而来，因此，器件在大规模集成时需要繁杂的外围电路，增加了集成复杂度，存在一定的局限性；另一种突触权重调节方法，使用两种电荷效应相反的突触器件，在相同的输入信号下，可以分别作为抑制性和兴奋性突触器件，但是实现相同的突触功能需要更多数量的器件，大规模集成时需要更大的物理体积以及功耗；上述不足都会阻碍神经形态计算的发展。在这种背景下，开发具有单极性电压幅值依赖塑性(svdp)的突触器件是推动神经形态计算系统发展的关键一步。

3、综上所述，在神经形态计算过程中，如果对突触器件采用双极性电压调节突触权重时，需要繁杂的外围电路辅助，这会增加系统集成的复杂度。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管及其制备方法，在忆阻晶体管中实现svdp特性，通过引入双重电荷机制，利用两种机制之间的竞争作用，小幅值的刺激电压实现兴奋，大幅值的刺激电压实现抑制，在忆阻晶体管漏极实现svdp特性，通过改变栅极的电压，可以调节svdp特性，可以模拟更加丰富的突触行为。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明是一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，双机制有机忆阻晶体管从下至上依次设置包含栅极的衬底层、电解质层、电荷捕获层、半导体层、源极和漏极，双机制有机忆阻晶体管具有单极性电压幅值依赖塑性(svdp)，通过调节漏极电压大小来调节电导增强或减弱，在双机制有机忆阻晶体管实现svdp特性。

4、本发明的进一步改进在于：通过调节衬底层的电压动态调节所述svdp特性。

5、本发明的进一步改进在于：源极和所述漏极的材料均选用金或铜。

6、本发明的进一步改进在于：衬底层采用由下至上的硅与二氧化硅的叠加或采用pet、ito与al2o3的叠加。

7、本发明的进一步改进在于：电荷捕获层为pvn、ps、pyridrl-c中的一种，电荷捕获层的厚度为5～30nm。

8、本发明的进一步改进在于：半导体层的材料为并五苯。

9、本发明的进一步改进在于：电解质层材料包括聚合物电解质、离子液、离子胶或电解质溶液中的一种。

10、本发明的进一步改进在于：该双机制有机忆阻晶体管的制备方法包括如下步骤：

11、步骤1、分别使用丙酮、乙醇和去离子水对衬底层进行清洗，清洗时间为5～20min，清洗干净后烘干；

12、步骤2、配置电荷俘获层溶液，使电荷俘获介质充分溶于1,2-二氯乙烷、甲苯或氯苯的有机溶剂；

13、步骤3、配置电解质层溶液；

14、步骤4、紫外臭氧处理基片；

15、步骤5、在步骤4的基础上采用溶液旋涂法制备电解质薄膜，产生双电层效应；

16、步骤6、在步骤5的基础上采用溶液旋涂法制备电荷俘获层薄膜，产生电荷俘获效应；

17、步骤7、在步骤6的基础上制备半导体层和金属顶电极。

18、本发明的进一步改进在于：在所述步骤7中，半导体材料为并五苯，具体制备方法为热蒸发法，真空热蒸镀半导体层时，真空度控制在5×10-4pa，蒸镀速率控制在

19、本发明的进一步改进在于：所述步骤7中金属顶电极的材料为cu或au中的一种，金属顶电极采用热蒸发方法制备，真空热蒸镀金属电极时，真空度控制在5×10-4pa，蒸镀速率控制在

20、本发明的有益效果是：

21、本发明提出了一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，在忆阻晶体管中实现svdp特性；漏极施加小的正向电压，双电层机制起主导作用，增强沟道电导；漏极施加大的正向电压，电荷捕获起主导作用，削弱沟道电导；在漏极施加振幅大小不同的电压，通过电压的大小调节沟道电导，该器件具有单极性电压调节电导特性。

22、本发明以ps为电荷捕获层，壳聚糖为电解质层，探索电荷捕获—双电层效应共同作用机制，利用电双层效应和电荷捕获效应对传输层具有相反的调控方式，探索两种电荷效应对权重更新的影响，实现单极性电脉冲下调制沟道电导。

23、同时本发明的忆阻晶体管具有独特的调控端栅电极，在漏极实现svdp，记忆晶体管具有栅极调控端，为动态调节svdp特性奠定了基础，动态调节svdp特性可以实现更加丰富的有益的功能。

24、在忆阻晶体管中，利用单极性电压即可调节电导，有利于神经形态计算的发展。

技术特征：

1.一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，所述双机制有机忆阻晶体管从下至上依次设置包含栅极的衬底层(1)、电解质层(2)、电荷捕获层(3)、半导体层(4)、源极(6)和漏极(5)，其特征在于：所述双机制有机忆阻晶体管具有单极性电压幅值依赖塑性(svdp)，通过调节所述漏极(5)电压大小来调节电导增强或减弱，在所述双机制有机忆阻晶体管实现svdp特性。

2.根据权利要求1所述的一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：通过调节所述衬底层(1)的电压动态调节所述svdp特性。

3.根据权利要求1或2所述的一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：所述源极(6)和所述漏极(5)的材料均选用金或铜。

4.根据权利要求1或2所述的一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：所述衬底层(1)采用由下至上的硅(si)与二氧化硅(sio2)的叠加或采用pet、ito与al2o3的叠加。

5.根据权利要求1或2所述的一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：所述电荷捕获层(3)为pvn、ps、pyridrl-c中的一种，所述电荷捕获层(3)的厚度为5～30nm。

6.根据权利要求1或2所述的一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：所述半导体层(4)的材料为并五苯。

7.根据权利要求1或2所述的一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：所述电解质层(2)材料包括聚合物电解质(polymer electrolytes)、离子液(ionicliquids)、离子胶(ionic gels)或电解质溶液中的一种。

8.根据权利要求1所述一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：该双机制有机忆阻晶体管的制备方法包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：在所述步骤7中，所述半导体材料为并五苯，具体制备方法为热蒸发法，真空热蒸镀半导体层时，真空度控制在5×10-4pa，蒸镀速率控制在

10.根据权利要求8所述一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管，其特征在于：所述步骤7中金属顶电极的材料为cu或au中的一种，金属顶电极采用热蒸发方法制备，真空热蒸镀金属电极时，真空度控制在5×10-4pa，蒸镀速率控制在

技术总结
本发明属于半导体技术和神经形态硬件领域，公开了一种单极性调控的双机制有机忆阻晶体管及其制备方法。该双机制有机忆阻晶体管从下至上依次设置包含栅极的衬底层、电解质层、电荷捕获层、半导体层、源极和漏极，双机制有机忆阻晶体管具有单极性电压幅值依赖塑性，通过调节漏极电压大小来调节电导增强或减弱，在所述双机制有机忆阻晶体管实现SVDP特性。本发明在忆阻晶体管中实现SVDP特性，通过引入双重电荷机制，利用两种机制之间的竞争作用，小幅值的刺激电压实现兴奋，大幅值的刺激电压实现抑制，在忆阻晶体管漏极实现SVDP特性，通过改变栅极的电压，可以调节SVDP特性，可以模拟更加丰富的突触行为。

技术研发人员：凌海峰,王杰,郑朝月,解令海,付敬伟,和翔
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15