一种电写光读氮化物铁电神经形态器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电写光读氮化物铁电神经形态器件及其制备方法。本发明专利技术各层结构在同一设备的同一腔体中全外延实现，有利于提升界面质量，并提升器件的可靠性；利用多层复合式铁电层功能层，有利于增强器件的多态特性，通过精确控制超晶格中各层氮化物铁电层的掺杂元素组分，实现组分梯度变化，氮化物铁电层中掺杂元素组分浓度对矫顽场的调制作用，实现各层氮化物铁电层具有不同的矫顽电压，氮化物铁电神经形态器件的阈值电压呈离散值，从而实现低重叠、高鲁棒和抗噪声的多态数据存储能力，还能够更高效地模仿生物神经系统中突触的能力；本发明专利技术实现光读取能力，赋予了器件更多的操作维度，能够广泛应用于神经形态计算系统或新型存算一体系统中。新型存算一体系统中。新型存算一体系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种电写光读氮化物铁电神经形态器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铁电存储器件制备技术，具体涉及一种电写光读氮化物铁电神经形态器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]铁电存储器利用的是铁电晶体所固有的一种极化翻转特性，具有高速度、低功耗、高可靠性的优点。利用其非易失存储特性，可以实现具有存算一体功能的神经形态器件。铁电性已在部分稀土元素掺杂的III族氮化物宽禁带半导体材料中被证实，且具有高剩余极化强度（P
r
）、大矫顽电场（E
C
）和高居里温度等优势。神经形态器件是利用存储器的非易失存储能力，将器件的电导映射为生物系统/神经网络中的突触强度/权值，从而实现突触功能的模拟，并以此实现神经形态计算系统。与生物中的神经系统类似，人工神经形态器件也应具有模拟式存储和低功耗的特点，因此若想实铁电神经形态器件，还需要铁电器件具有多态存储和低漏电的特性，现有铁电多态存储器依赖于对极化状态的模拟式调节过程，利用材料部分极化作为中间状态。然而，由于铁电畴翻转的不均匀性和随机性，部分极化难以控制，多态存储器中的编程态重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电写光读氮化物铁电神经形态器件，其特征在于，所述氮化物铁电神经形态器件包括衬底、高阻缓冲层、沟道层、界面优化层、多层复合式铁电功能层、宽禁带阻挡层、中间电极层、氮化物铁电感光层、源漏电极和透明栅电极；其中，在衬底上依次形成高阻缓冲层、沟道层、界面优化层、多层复合式铁电功能层、宽禁带阻挡层、中间电极层和氮化物铁电感光层；对中间电极层和氮化物铁电感光层图形化，暴露出部分宽禁带阻挡层表面，形成感光栅区域；在暴露出的宽禁带阻挡层表面形成源漏电极，源漏电极从上至下依次穿过宽禁带阻挡层、多层复合式铁电功能层和界面优化层直至部分进入沟道层；在铁电感光层表面生长透明栅电极；其中，多层复合式铁电功能层包括与间隔层相间的多层氮化物铁电层，在相邻的两层氮化物铁电层之间插入间隔层；各层氮化物铁电层的掺杂元素组分和厚度互相独立，各层间隔层的厚度互相独立；各层氮化物铁电层中掺杂元素组分相同或者不同，不同的掺杂元素组分呈梯度变化或非线性变化；衬底接地，在中间电极层上施加电压，调整多层复合式铁电功能层中各氮化物铁电层的极化状态，以控制至氮化物铁电神经形态器件的阈值电压，实现阈值电压的非易失转变，完成电写入过程；入射光照射至氮化物铁电感光层，入射光的光子能量大于等于氮化物铁电感光层的禁带宽度，氮化物铁电感光层产生光生载流子，光生载流子为电子和空穴；电子和空穴在氮化物铁电感光层中固有的铁电极化电场的作用下发生分离，分别聚集在氮化物铁电感光层的上表面和下表面，形成电压差，电压差的大小与入射光的强度呈正相关，入射光越强电压差越大，使得氮化物铁电神经形态器件具备光读取的能力；采用入射光的强度作为输入信号，源漏电极间的源漏电流作为输出信号，当不同强度的入射光照射至氮化物铁电神经形态器件上时，氮化物铁电感光层上产生不同大小的电压，从而在氮化物铁电神经形态器件的沟道层上施加不同的偏置电压，使得源漏电流随着入射光的强度的变化而变化，完成光读取过程。2.一种如权利要求1所述的电写光读氮化物铁电神经形态器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1）在衬底上生长高阻缓冲层：在衬底上采用外延技术生长III族氮化物高阻材料，形成高阻缓冲层，减小材料间的晶格失配，并且减小透明栅电极与衬底之间的漏电，增强透明栅电极对沟道层的控制，减小发热量；2）生长沟道层：在高阻缓冲层上采用外延技术生长沟道材料，形成沟道层；3）生长界面优化层：在沟道层上采用外延技术生长氮化物合金，形成界面优化层，提高氮化物铁电层与沟道层之间的界面平整度，并防止铁电效应引起的晶格形变影响界面质量；4）生长多层复合式铁电功能层：在界面优化层上采用外延技术生长多层氮化物铁电层，并且在相邻的两层氮化物铁电层之间插入间隔层，形成氮化物铁电层和间隔层相间的多层复合式铁电功能层；各层氮化物铁电层的掺杂元素组分和厚度互相独立，各层间隔层的厚度互相独立；
各层氮化物铁电层中掺杂元素组分相同或者不同，不同的掺杂元素组分呈梯度变化或非线性变化；通过控制掺杂源的温度，从而控制氮化物铁电层的掺杂元素组分，通过控制生长时间，从而控制氮化物铁电层的厚度；掺杂源温度越高，掺杂元素组分越高，生长时间越长，氮化物铁电层的厚度越厚，反之，掺杂源温度越低，掺杂元素组分越低，生长时间越短，氮化物铁电层的厚度越薄；通过控制生长间隔层的时间，从而控制间隔层的厚度；生长间隔层的时间越长，间隔层的厚度越厚，反之，生长间隔层的时间越短，间隔层的厚度越薄；5）生长宽禁带阻挡层：利用外延技术在多层复合式铁电功能层上生长宽禁带氮化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，王睿，王平，叶昊天，盛博文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：