一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件及其制备方法，包括衬底，衬底之上设置有栅电极，栅电极之上设置有双层电介质，双层电介质层的上表面设置有源电极和漏电极，源电极和漏电极通过半导体沟道相连接；所述双层电介质包括从下至上设置的高k金属氧化物电介质层和KH550

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及仿生突触器件
，具体涉及一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]受大脑启发的神经形态计算由神经元和突触组成，具有执行复杂信息处理的能力，为克服冯
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诺依曼瓶颈提供了新的计算范式。能够与生物突触竞争的电子突触记忆器设备对于神经形态计算来说意义重大。
[0003]目前已经有各种电子设备被尝试用来实现神经形态计算，如忆阻器、相变存储器、导电桥式存储器和铁电器件。使用这些设备已成功模拟了一些突触功能，包括短期和长期记忆、双脉冲易化和脉冲时间依赖可塑性。其中三端突触器件可以很容易地控制突触权重，因为它的结构特点是训练(权重控制端)和测试(突触前和突触后端)阶段有独立的终端。这种结构特点可以防止训练后的突触权重在测试阶段被破坏。然而，对于这种电子突触器件来说，要同时实现大的电导变化和小的非线性以获得高的模式识别率是非常困难的。这是因为突触器件的非线性通常会随着电压脉冲的振幅或宽度的增加而恶化，以实现更大的电导变化。因此在材料与结构方面寻求新的创新以降低器件操作电压、提高线性度具有十分重要的意义。
[0004]在各种二维材料中，氧化石墨烯(GO)是一种很有前途的材料，由于层间的原子厚度和微弱的范德瓦尔斯(vdWs)力，它具有很好的降频效果，并与传统的硅基器件兼容。此外，GO的带隙工程可以通过控制表面的官能团来调节，这使其电性能可以更好的被控制。而具有忆阻特性的高k金属氧化物用做栅介质可有效降低器件操作电压。因此结合这两者的优势来制备一种可以降低器件操作电压、提高电流线性度的三端仿生突触器件在仿生突触领域具有较高的研究价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件及其制备方法，采用背栅型场效应晶体管的器件结构，可模拟神经突触的学习与记忆功能。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件，包括衬底，衬底之上设置有栅电极，栅电极之上设置有双层电介质，双层电介质层的上表面设置有源电极和漏电极，源电极和漏电极通过半导体沟道相连接；所述双层电介质包括从下至上设置的高k金属氧化物电介质层和γ
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氨丙基三乙氧基硅烷
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氧化石墨烯(KH550
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GO)电介质层；所述半导体沟道的材料为石墨烯。
[0008]进一步地，所述高k金属氧化物电介质层的材料包括但不限于氧化铪、氧化铝或钨氧化物等。
[0009]进一步地，所述栅电极、源电极和漏电极的材料可以是各种金属，如Ti、Au或Pt等。
[0010]进一步地，所述三端仿生突触器件结构为背栅结构。
[0011]进一步地，所述的基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件的制备方法包括以下步骤：
[0012]S1、提供衬底，并对衬底进行标准清洗；
[0013]S2、在S1得到的衬底上沉积电极金属材料形成栅电极；
[0014]S3、在S2得到的在栅电极上沉积高k金属氧化物电介质层；
[0015]S4、在S3得到的高k金属氧化物电介质层上形成KH550
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GO电介质层；
[0016]S5、在S4得到的KH550
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GO电介质层表面沉积电极金属材料形成源电极和漏电极；
[0017]S6、在S5得到的源电极和漏电极之间形成半导体沟道，得到基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件。
[0018]进一步地，S4所述KH550
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GO电介质层的制备方法如下：
[0019]a1、制备KH550
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GO溶液。将GO粉末分散在二甲基甲酰胺(DMF)分散剂中，超声得到稳定的GO溶液；将所述GO溶液与KH
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550溶液以一定比例混合(1:15
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1:20)，以100
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120rpm的搅拌速度在室温下搅拌至少24h；用去离子水和乙醇按一定比例(1:1
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1:1.2)对制得的混合溶液进行水解；
[0020]a2、将所述KH550
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GO溶液滴铸到S3得到的目标衬底上；
[0021]a3、常温烘干，得到所述KH550
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GO固体电介质薄膜。
[0022]进一步地，S2和S5中采用蒸镀、磁控溅射、激光脉冲或原子层沉积的方法进行沉积。
[0023]进一步地，S5所述半导体沟道的制备方法如下：
[0024]b1、制备石墨烯，并将所述石墨烯转移到具有所述源电极和漏电极的基底；
[0025]b2、对所述石墨烯进行光刻或等离子体刻蚀，得到所述半导体沟道。
[0026]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0027]本专利技术提供的基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件，以高k金属氧化物和3
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三乙氧基硅丙胺修饰氧化石墨烯(KH550
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GO)作为双层电介质，以石墨烯作为沟道。具有忆阻特性的高k金属氧化物作为场效应晶体管的栅电介质层材料，可以降低器件的操作电压；KH550
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GO具有较高的质子导电率，是一种理想的双电层场效应晶体管的栅电介质材料。结合二者的优势制备的双层电介质能以较小的操作电压实现对沟道电导的调制，提高沟道电流线性度，以较低的能耗模拟突触的学习与记忆功能。在栅电极外加电压时，高k金属氧化物中形成的导电细丝会诱使KH550
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GO中自由质子进行移动，在电介质层与沟道界面形成亥姆霍兹层，且KH550
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GO中的质子会对石墨烯沟道产生电化学掺杂，同时KH550
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GO的高比电容可以在栅电极与沟道之间提供很强的电容耦合，沟道电导因此可调。
[0028]本专利技术还提供了一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件的制备方法，该制备方法通过光刻，磁控溅射等常规半导体工艺，制备微纳级尺寸的具有高k金属氧化物和KH550
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GO双层电介质、碳基导电沟道的薄膜场效应晶体管。其中碳基材料石墨烯、氧化石墨烯使用化学方法获取，并采用滴涂、旋涂或湿法转移等方式在目标基底上制备。该工艺流程对进一步缩小器件尺寸，提高器件集成度可起到关键作用。
附图说明
[0029]图1为基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件的结构示意图；
[0030]图2为形成基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件的流程图；
[0031]图3为制备/转移KH550
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GO的流程图；
[0032]图4为制备/转移石墨烯的流程图；
[0033]图5为形成石墨烯条带的流程图。
[0034]图中各标号代表如下：
[0035]1、衬底；2、栅电极、3、高k金属氧化物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件，其特征在于，该仿生突触器件从下至上依次包括衬底(1)、位于衬底(1)之上的栅电极(2)，位于栅电极(2)之上的双层电介质，所述双层电介质层的上表面分别设有源电极(5)及漏电极(6)，源电极(5)和漏电极(6)通过半导体沟道(7)相连接；所述双层电介质包括从下至上设置的高k金属氧化物电介质层(3)和KH550
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GO电介质层(4)。2.根据权利要求1所述的一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件，其特征在于，所述高k金属氧化物电介质层(3)的材料为氧化铪、氧化铝或钨氧化物。3.根据权利要求1所述的一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件，其特征在于，所述栅电极(2)、源电极(5)和漏电极(6)材料各自独立的为Ti、Au或Pt。4.根据权利要求1所述的一种基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件，其特征在于，所述半导体沟道(7)材料为石墨烯。5.采用如权利要求1所述的基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件的制备方法，其特征在于，包括：S1、在衬底上沉积电极金属材料形成栅电极；S2、在栅电极上沉积高k金属氧化物电介质层；S3、在高k金属氧化物电介质层上形成KH550
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GO电介质层；S4、在KH550
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GO电介质层表面沉积电极金属材料形成源电极和漏电极；S5、在源电极和漏电极之间形成半导体沟道，得到基于双层电介质的碳基三端仿生突触器件。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国和，宫晨蓉，刘佳，万贤杰，俞宙，邢乾，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十四研究所，
类型：发明
国别省市：