一种多离子调控的突触晶体管及其制备方法和应用

本发明属于晶体管，具体涉及一种多离子调控的突触晶体管及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，随着信息时代的到来，人们对于计算机处理信息的能力要求越来越高。然而，传统的冯诺依曼计算机存在能耗高和处理速度慢等问题，难以满足现代应用的需要。相比于传统计算机，人脑是一个可以高效处理信息的系统，并且有着高并行性和高容错性等特点。神经元和突触是人脑传递和处理信息的基本单元，突触作为神经元的连接点，可以存储和处理信息，实现高效并行和低功耗计算。因此，制造能够实现突触功能的电子设备是构建类脑计算系统的关键因素。

2、目前，研究人员已经提出了一系列的突触电子器件，其中，突触晶体管凭借着其可三端调控和电容耦合的工作模式，得到了广泛的关注。当在突触晶体管的栅极施加电压时，介质层中的离子可以移动到介质层/沟道层界面，诱导出沟道层中的载流子，形成双电层，从而模拟突触特性。其中，能够形成双电层的介质层有离子液体、离子凝胶和固态电解质等，固态电解质因其与柔性衬底相容、可打印制备并且能够和单片集成电路兼容而得到了广泛研究。然而固态电解质存在离子迁移率低的缺点，影响实现突触模拟。

3、研究人员发现，通过在固态电解质中掺入盐，可以有效提高其离子迁移率，已经有很多报道通过在peo中掺入锂盐或钠盐，成功模拟了突触特性。虽然这些基于质子迁移或者离子迁移的突触晶体管成功模拟了兴奋性突触后电流、双脉冲易化和短期记忆等突触特性，但是在这些突触晶体管中，当栅极电压撤去时，质子或离子会较快回到平衡位置，弛豫时间短，从而不能很好地模拟长期记忆。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多离子调控的突触晶体管及其制备方法和应用，本发明提供的突触晶体管能更加完善地模拟突触性能，实现短期记忆和长期记忆的模拟。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种多离子调控的突触晶体管，包括底栅结构的突触晶体管或顶栅结构的突触晶体管，所述顶栅结构的突触晶体管从下到上依次包括衬底、沟道层、源漏电极、介质层和栅电极；所述底栅结构的突触晶体管从下到上依次包括衬底、栅电极、介质层、沟道层和源漏电极；

4、所述介质层的材质为固态电解质/金属盐化学复合物；

5、所述金属盐包括大质量金属盐和小质量金属盐；所述大质量金属盐包括镁盐、钙盐、铝盐、锌盐和钾盐中的一种或几种；所述小质量金属盐包括锂盐和钠盐中的一种或几种。

6、优选的，所述衬底由包括硅片、pet、pi、pen、玻璃、金刚石和氧化铝中的一种或几种的原料制备得到；

7、所述沟道层由包括ito、izo、igzo、in2o3、vo2、nio、ga2o3和sno2中的一种或几种的原料制备得到；

8、所述源漏电极由包括ito、cu、au、ag、al、fe、pt、pd和w中的一种或几种的原料制备得到；

9、所述栅电极由包括au、ag、cu、al和fe中的一种或几种的原料制备得到。

10、优选的，所述衬底的厚度为0.1～3mm；

11、所述沟道层的厚度为10～150nm；

12、所述源漏电极的厚度为10～200nm；

13、所述介质层的厚度为10～200nm；

14、所述栅电极的厚度为10～200nm。

15、优选的，所述固态电解质与金属盐的质量比为1～3:0.1～0.3。

16、优选的，所述固态电解质为化学合成聚合物或生物有机材料。

17、优选的，所述化学合成聚合物包括聚环氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯醇和聚丙乙烯中的一种或几种；所述生物有机材料包括壳聚糖、海藻酸钠、淀粉、纤维素和蛋白质中的一种或几种。

18、本发明还提供了上述方案所述多离子调控的突触晶体管的制备方法：

19、当所述突触晶体管为顶栅结构，所述制备方法包括以下步骤：在衬底上制备沟道层，在所述沟道层上制备源漏电极，在所述源漏电极上制备介质层，在所述介质层上制备栅电极，得到顶栅结构的突触晶体管；

20、当所述突触晶体管为底栅结构，所述制备方法包括以下步骤：在衬底上制备栅电极，在所述栅电极上制备介质层，在所述介质层上制备沟道层，在所述沟道层上制备源漏电极，得到底栅结构的突触晶体管。

21、优选的，当所述突触晶体管为顶栅结构，所述沟道层的制备方法包括旋涂法、滴铸法、磁控溅射和静电纺丝中的一种；所述源漏电极的制备方法包括溅射、pecvd、mocvd、ald和蒸发中的一种；所述介质层的制备方法包括涂覆、喷墨打印、旋涂和气溶胶喷印中的一种；所述栅电极的制备方法包括涂覆、溅射、pecvd、mocvd、ald、mbe、pld和蒸发中的一种；

22、当所述突触晶体管为底栅结构，所述栅电极、介质层、沟道层和源漏电极的制备方法与顶栅结构的突触晶体管相同。

23、优选的，当所述突触晶体管为顶栅结构或底栅结构，所述沟道层、源漏电极、介质层和栅电极独立地还包括采用光刻进行图案化处理。

24、本发明还提供了上述方案所述的突触晶体管或上述方案所述制备方法得到的突触晶体管在计算机、植入式非医疗设备和可穿戴设备中的应用。

25、本发明提供了一种多离子调控的突触晶体管。本发明的突触晶体管利用多种离子调控突触塑性，提高了介质层的离子迁移率，同时从生物突触行为的原理出发模拟生物突触行为，可以更好地对突触进行行为级模拟，实现双脉冲易化、短时程记忆和长时程记忆等学习记忆行为，更加完善地模拟了突触可塑性。具体机理如下：

26、本发明在固态电解质中掺入多种金属盐(以双离子调控为例，原理如图1所示)，利用多离子调控，金属盐中的金属离子在正栅电压的作用下迁移到介质层和沟道层的界面，从而诱导出沟道层中的电子；当电压撤去后，离子并不会立刻回到初始位置，而是具有一定的弛豫，从而使得沟道层的电导可以发生短时程或者长时程的改变；其中，质量较小的金属离子如钠离子和锂离子等，弛豫时间较短，有利于短期记忆的模拟，质量较大的金属离子如钙离子、钾离子和锌离子等，弛豫时间较长，有利于模拟长期记忆。

27、本发明还提供了上述方案所述多离子调控的突触晶体管的制备方法。本发明提供的制备方法步骤简单，操作方便，可行性高，成本低廉，可以大规模工业化生产。

28、本发明还提供了上述方案所述的突触晶体管或上述方案所述制备方法得到的突触晶体管在计算机、植入式非医疗设备和可穿戴设备中的应用。本发明提供的突触晶体管和目前的工艺相兼容，在应用中无需采用特殊工艺，降低了本发明突触晶体管的应用难度和成本；本发明采用的化学合成聚合物和生物有机材料具有生物兼容性、生物可降解性以及柔性可拉伸的性质，使得突触晶体管可以在植入式非医疗设备和可穿戴等仪器设备中应用，大大扩展了类神经突触器件的应用场景。

技术特征：

1.一种多离子调控的突触晶体管，其特征在于，包括底栅结构的突触晶体管或顶栅结构的突触晶体管，所述顶栅结构的突触晶体管从下到上依次包括衬底、沟道层、源漏电极、介质层和栅电极；所述底栅结构的突触晶体管从下到上依次包括衬底、栅电极、介质层、沟道层和源漏电极；

2.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述衬底由包括硅片、pet、pi、pen、玻璃、金刚石和氧化铝中的一种或几种的原料制备得到；

3.根据权利要求1或2所述的突触晶体管，其特征在于，所述衬底的厚度为0.1～3mm；

4.根据权利要求1所述的突触晶体管，其特征在于，所述固态电解质与金属盐的质量比为1～3:0.1～0.3。

5.根据权利要求1或4所述的突触晶体管，其特征在于，所述固态电解质为化学合成聚合物或生物有机材料。

6.根据权利要求5所述的突触晶体管，其特征在于，所述化学合成聚合物包括聚环氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙烯醇和聚丙乙烯中的一种或几种；所述生物有机材料包括壳聚糖、海藻酸钠、淀粉、纤维素和蛋白质中的一种或几种。

7.权利要求1～6任一项所述多离子调控的突触晶体管的制备方法：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当所述突触晶体管为顶栅结构，所述沟道层的制备方法包括旋涂法、滴铸法、磁控溅射和静电纺丝中的一种；所述源漏电极的制备方法包括溅射、pecvd、mocvd、ald和蒸发中的一种；所述介质层的制备方法包括涂覆、喷墨打印、旋涂和气溶胶喷印中的一种；所述栅电极的制备方法包括涂覆、溅射、pecvd、mocvd、ald、mbe、pld和蒸发中的一种；

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，当所述突触晶体管为顶栅结构或底栅结构，所述沟道层、源漏电极、介质层和栅电极独立地还包括采用光刻进行图案化处理。

10.权利要求1～6任一项所述的突触晶体管或权利要求7～9任一项所述制备方法得到的突触晶体管在计算机、植入式非医疗设备和可穿戴设备中的应用。

技术总结
本发明属于晶体管技术领域，具体涉及一种多离子调控的突触晶体管及其制备方法和应用。本发明在固态电解质中掺入多种金属盐，利用多种离子调控，金属盐中的金属离子在正栅电压的作用下迁移到介质层和沟道层的界面，从而诱导出沟道层中的电子；当电压撤去后，离子并不会立刻回到初始位置，而是具有一定的弛豫，从而使得沟道层的电导可以发生短时程或者长时程的改变；其中，质量较小的金属离子如钠离子和锂离子等，弛豫时间较短，有利于短期记忆的模拟，质量较大的金属离子如钙离子、钾离子和锌离子等，弛豫时间较长，有利于模拟长期记忆。本发明的突触晶体管可以更加完善地模拟突触特性，实现双脉冲易化、短时程记忆和长时程记忆等学习记忆行为。

技术研发人员：李俊,温胜凯,张建华
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24