一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法。

背景技术：

1、受限于冯诺依曼计算架构，目前传统芯片的“存储墙”、“功耗墙”问题日益凸显，另一方面，随着芯片制程逐渐达到物理极限，摩尔定律失效，芯片性能难以进一步提高。因此，芯片领域需要一场新的技术革命打破困境。在此背景下，神经形态芯片应运而生。神经形态芯片根据仿生学原理进行类脑计算，具有功耗低、速度快、高效等优势，成为下一代智能芯片的有力竞争者。

2、神经形态器件是构建神经形态芯片的基本单元，可以实现电子突触、电子神经元等功能，主要包括忆阻器、铁电晶体管、有机场效应晶体管等器件，有机场效应晶体管由于制备工艺简单、可与柔性器件集成等优势成为研究热门。基于各种神经形态器件，神经形态芯片可以模拟生物突触和神经元功能，构建人工神经网络实现神经形态计算。

3、然而，目前神经形态芯片仍然需要与传统的外围电路(如控制逻辑、模数转换等)相结合，实现特定功能。而传统cmos逻辑门电路与神经形态芯片存在兼容性问题难以大规模集成在一起且仅可由电信号驱动，无法用其他信号源如光信号驱动。在神经形态器件中，晶体管型神经形态器件具有开关特性，可以用于搭建逻辑门电路。因此，研究采用晶体管型神经形态器件进行逻辑门电路演示，对于神经形态芯片的未来发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法，以实现或非门逻辑功能。

2、本发明提供一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，包括晶体管型神经形态器件和光控开关；所述晶体管型神经形态器件的结构从下到上分别分为栅极、介电层、电荷捕获层、半导体层、源极、漏极；所述晶体管型神经形态器件的源极与栅极分别与光控开关的两极相连接，源极始终接地；所述光控开关用来控制栅极接地或悬空。

3、进一步地，所述栅极和介电层材料分别为n-型重掺杂硅和二氧化硅。

4、进一步地，所述电荷捕获层由对甲苯三氯硅烷自组装制备而成。

5、进一步地，所述半导体层材料为p-型有机半导体材料并五苯，在源漏电极中间形成导电沟道。

6、进一步地，所述源极、漏极选用金属cu材料。

7、进一步地，所述介电层位于栅极正上方，电荷捕获层制备于介电层正上方，垂直制备于介电层上；所述半导体层制备于电荷捕获层正上方，源漏电极共平面制备于半导体层正上方，源极和漏极中间形成导电沟道。

8、进一步，本发明还公开一种上述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路的制备方法，所述电荷捕获层采用自组装单分子层技术，通过溶液浸泡方法成膜，半导体层和源漏电极采用热真空蒸镀方法制备。

9、制备方法包括如下步骤：

10、步骤一，选用50nm单抛氧化硅片作为栅极和介电层，超声清洗并烘干；

11、步骤二，将步骤一处理好的的硅片进行uv处理10min，然后在硅片上制备电荷捕获层；

12、步骤三，在步骤二处理好的样品上依次蒸镀半导体层、源漏电极，得到晶体管型神经形态器件。

13、步骤四，将步骤三制备好的器件的栅极和源极分别与光控开关连接。

14、更进一步，所述步骤一所述硅片的尺寸为1.0cm×1.0cm。

15、更进一步，步骤三所述半导体层材料为并五苯，厚度为30nm，蒸镀速率保持在半导体层厚度通过晶振片实时监控，真空度优于5×10-4pa；源极、漏极材料为cu，厚度为50nm，蒸镀速率保持在电极厚度通过晶振片实时监控，真空度优于5×10-4pa；半导体层和源漏电极采用掩模版进行图案化处理。

16、更进一步，步骤四所述器件与光控开关连接通过金线超声波焊丝技术连接。

17、与现有技术相比，本发明电压脉冲是通过漏极注入，利用光照射光控开关控制栅极与源极连接与否，以此改变器件中电场方向与强度来调控输出电流信号，实现或非门逻辑功能的演示。与传统基于cmos器件制备的或非门电路相比，本发明中提出的基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路具有结构简单、操控简易且可光驱动等优势。

技术特征：

1.一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法，其特征在于，所述或非门逻辑电路由一个晶体管型神经形态器件与光控开关构成，所述晶体管型神经形态器件的结构从下到上分别为栅极、介电层、电荷捕获层、半导体层、源极、漏极；所述晶体管型神经形态器件的源极与栅极分别与光控开关的两极相连接，源极始终接地；所述光控开关为商用产品，通过光照控制光控开关使栅极接地或悬空。

2.据权利要求1所述一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法，其特征在于，所述晶体管型神经形态器件电荷捕获层由对甲苯三氯硅烷自组装制备而成，所述晶体管型神经形态器件半导体层材料为p-型有机半导体材料并五苯，在源漏电极中间形成导电沟道。

3.根据权利要求1所述一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法，其特征在于，所述晶体管型神经形态器件源极、漏极选用金属cu材料，电极形状通过掩膜板图案化设计。

4.根据权利要求1所述一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法，其特征在于，所述晶体管型神经形态器件介电层位于栅极正上方，电荷捕获层制备于介电层正上方，垂直制备于介电层上；所述半导体层制备于电荷捕获层正上方，源、漏电极共平面制备于半导体层正上方，源极和漏极中间形成导电沟道。

5.一种权利要求1-4任意一项所述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，其特征在于，所述电荷捕获层采用自组装单分子层的方法制备，半导体层和源、漏电极采用热真空蒸镀方法制备。

6.根据权利要求5所述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，其特征在于，制备方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，其特征在于，步骤一所述硅片的尺寸为1.0cm×1.0cm。

8.根据权利要求6所述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，其特征在于，步骤二所述电荷捕获层材料为对甲苯三氯硅烷，采用自组装的方法通过溶液浸泡技术制备成膜，溶液浓度为3mm，浸泡时间为2h。

9.根据权利要求6所述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，其特征在于，步骤三所述半导体层材料为并五苯，厚度为30nm，蒸镀速率保持在半导体层厚度通过晶振片实时监控，真空度优于5×10-4pa；源极、漏极材料为cu，厚度为50nm，蒸镀速率保持在电极厚度通过晶振片实时监控，真空度优于5×10-4pa；半导体层和源漏电极采用掩模板进行图案化处理。

10.根据权利要求6所述基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路，其特征在于，步骤四所述器件与光控开关连接通过金线超声波焊丝技术连接。

技术总结
本发明提供了一种基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路及其制备方法，所述或非门逻辑电路由一个晶体管型神经形态器件与光控开关构成，所述晶体管型神经形态器件由栅极、介电层、电荷捕获层、半导体层、源极、漏极构成，介电层位于栅极上方，电荷捕获层位于介电层上方，半导体层位于电荷捕获层上方，源、漏电极共平面位于半导体层上方，所述晶体管型神经形态器件的源极与栅极分别与光控开关的两极相连接，源极始终接地。本发明电压脉冲通过漏极注入，利用光照射光控开关控制栅极与源极连接与否，以此改变器件中电场方向与强度来调控输出电流信号，实现或非门逻辑功能的演示。与传统基于CMOS器件制备的或非门电路相比，本发明中提出的基于神经形态器件的新型光控或非门逻辑电路具有结构简单、操控简易且可光驱动等优势。

技术研发人员：郑朝月,宋万科,陈希明
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11