一种高耐久性柔性神经形态器件及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种高耐久性柔性神经形态器件及其制备方法。


背景技术：

2.灵活的柔性电子在各个领域发挥着日益重要的作用，包括在人工智能、信息传感、健康医疗、能源电子等。织物电子作为一种新型的柔性电子器件，在可穿戴设备领域具有明显优势。通过在织物结构上制备电子器件，可以极大程度地降低成本，提高器件的耐弯折特性，并且拓展器件的应用场景。然而，受限于织物天然的两端结构，晶体管的器件难以集成在织物结构上，限制了其应用。
3.有机材料作为一种低成本、工艺简单、高柔韧性的材料体系，非常适合应用于制备织物电子器件，可以对织物结构进行包覆式的保护。除此之外，利用具有功能特性的有机材料可以实现器件的模块组装。其中，采用有机半导体材料可以直接作为沟道层产生电激励响应，采用有机铁电聚合物功能层可以作为栅介质功能层实现存储功能，采用有机聚合物导电材料可以作为源漏部分等实现电极功能。因此，有机材料的引入为织物电子提供了更大的发展空间。
4.传统的集成电路器件分为逻辑单元器件和存储单元器件，两者之间需要频繁的数据传输并且具有不同的工作速度，共同构建了冯诺依曼式的计算架构，奠定了计算机的根本结构。然而，这种工作模式存在明显弊端，存储单元与计算单元的速度不匹配会导致整体的处理效率降低，两个单元间的数据频繁交换会导致整体的能耗增加。这一问题在处理大量数据时更为明显。因此，需要开发类脑工作模式的仿生神经形态器件，在同一器件单元中完成计算和存储的功能，提升信息的处理效率。
5.由于神经形态器件在实现神经计算的过程中需要不断地迭代电阻状态以实现计算权重的更新，因此神经形态器件的耐久性是否优异对于器件的稳定工作至关重要。神经形态器件大多因为连续的脉冲刺激而出现漏电的问题，难以继续工作，展现出较差的耐久性。因此解决漏电的问题是提高器件耐久性的首要步骤。


技术实现要素：

6.本发明公开一种高耐久性柔性神经形态器件，包括：栅极织物，源极织物和漏极织物，其中，所述源极织物和所述漏极织物相互扭转缠绕，且所述栅极织物以螺旋方式缠绕在所述相互扭转缠绕的源极织物和漏极织物上，所述栅极织物包括：栅电极，其为金属织物；栅介质层，其为有机铁电聚合物薄膜，包覆在所述栅电极上；绝缘过渡层，其为有机绝缘聚合物薄膜，包覆在所述栅介质层上；所述源极织物/所述漏极织物包括：基底，其为金属织物；源极/漏极，其为有机导电聚合物薄膜，包覆在所述基底上；沟道层，其为有机半导体薄膜，包覆在所述有机导电聚合物薄膜。
7.本发明的高耐久性柔性神经形态器件中，优选为，所述有机导电聚合物薄膜为
pedot:pss。
8.本发明的高耐久性柔性神经形态器件中，优选为，所述有机半导体薄膜为cupc，dntt、pdvt-10。
9.本发明的高耐久性柔性神经形态器件中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜为p(vdf-trfe)。
10.本发明的高耐久性柔性神经形态器件中，优选为，所述有机绝缘聚合物薄膜为pmma。
11.本发明还公开一种高耐久性柔性神经形态器件制备方法，包括以下步骤：以金属织物为基底；在所述基底上包覆有机导电聚合物薄膜，作为源极/漏极；在所述有机导电聚合物薄膜上包覆有机半导体薄膜作为沟道层，形成源极/漏极织物；将源极织物和漏极织物相互扭转缠绕；以金属织物作为栅电极；在所述栅电极上包覆有机铁电聚合物薄膜，作为栅介质层；在所述栅介质层上包覆有机绝缘聚合物薄膜，作为绝缘过渡层，形成栅极织物；将栅极织物以螺旋的方式缠绕在相互扭转缠绕的源极织物和漏织物上，完成高耐久性柔性神经形态器件制备。
12.本发明的高耐久性柔性神经形态器件制备方法中，优选为，利用浸泡法将所述基底放入pedot:pss溶液，随后利用热板在50℃～150℃的温度下烘烤20分钟～60分钟，获得均匀的pedot:pss有机导电聚合物薄膜作为源极/漏极。
13.本发明的高耐久性柔性神经形态器件制备方法中，优选为，所述有机半导体薄膜为cupc，dntt、pdvt-10。
14.本发明的高耐久性柔性神经形态器件制备方法中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜为p(vdf-trfe)。
15.本发明的高耐久性柔性神经形态器件制备方法中，优选为，所述有机绝缘聚合物薄膜为pmma。
16.有益效果：
17.(1)打破传统的晶体管结构，在织物基衬底实现一维的晶体管制备，使得器件非常容易地集成在织物基底，在可穿戴应用场景更具优势。
18.(2)采用全有机的材料体系制备织物型神经形态器件，具有非常优异的柔韧特性。并且借助有机聚合物绝缘材料的插层设计，有效地提高了器件的耐久性，防止重复电导调制过程中出现的漏电失效问题，为柔性神经形态计算器件的发展奠定了基础。
19.(3)利用神经形态计算器件代替传统的存储器与计算器，避免信息频繁的交换过程中的高能耗以及响应速度不匹配的问题，极大程度地提高了器件的能效，降低了体系的功耗，非常适合于应用在电池容量有限的便携式柔性电子设备。
附图说明
20.图1是高耐久性柔性神经形态器件制备方法的流程图。
21.图2～图8是高耐久性柔性神经形态器件制备方法各阶段的结构示意图。
22.图9高耐久性柔性神经形态器件阵列的结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
26.图1是高耐久性柔性神经形态器件制备方法的流程图。如图1所示，高耐久性柔性神经形态器件制备方法包括以下步骤：
27.步骤s1，准备两根直径为50μm的au金属织物线，作为制备高耐久性柔性神经形态器件的基底100，如图2所示。基底还可以是pt、pd、al、ti、ta、cr等金属织物；直径范围可取20μm～200μm。
28.步骤s2，利用浸泡法将织物基底100放入pedot:pss溶液，随后利用热板在100℃的温度下烘烤30分钟，获得均匀的有机导电聚合物薄膜101作为源极/漏极，如图3所示。但是本发明不限定于此，源漏电极的材料还可以是其他有机导电聚合物材料；热板温度范围可取50℃～150℃；烘烤时长范围可取20分钟～60分钟。
29.步骤s3，利用旋涂法在形成有有机导电聚合物薄膜101的织物基底100上制备cupc有机半导体层102，转速为2000转/min，旋涂时长为60s，随后利用热板在80℃的温度下烘烤30分钟，完成沟道层的制备。沟道层的材料还可以是dntt、pdvt-10等有机半导体材料；旋涂转速范围可取1000转/min～4000转/min；旋涂时长范围可取30s～120s；热板温度范围可取40℃～100℃；烘烤时长范围可取20分钟～60分钟。而后，将源极织物和漏极织物即形成有有机半导体层102和有机导电聚合物薄膜101的两根金属织物线，进行扭转缠绕为一维排布，如图4所示。
30.步骤s4，准备一根直径为50μm的pt金属织物线作为栅电极200，如图5所示。栅电极还可以是au、pd、al、ti、ta、cr等金属织物等；直径为20μm～200μm。
31.步骤s5，利用旋涂法在栅电极200上涂覆p(vdf-trfe)溶液，转速为3000转/min，旋涂时长为60s，随后利用热板在100℃的温度下烘烤60分钟，形成p(vdf-trfe)薄膜，完成栅介质层201的制备，如图6所示。但是本发明不限定于此，栅介质层还可以是其他有机铁电聚合物薄膜；旋涂转速范围可取2000转/min～5000转/min；旋涂时长范围可取30s～120s；热板温度范围可取80℃～150℃；烘烤时长范围可取40分钟～100分钟。
32.步骤s6，利用旋涂法在栅介质层201上涂覆pmma溶液，转速为3000转/min，旋涂时
长为60s，随后利用热板在100℃的温度下烘烤20分钟，完成绝缘过渡层202的制备，如图7所示。绝缘过渡层还可以是任意有机绝缘聚合物材料，旋涂的转速范围可取2000转/min～5000转/min；旋涂时长范围可取30s～120s；热板温度范围可取80℃～150℃；烘烤时长范围可取10分钟～30分钟。借助有机聚合物绝缘材料作为改性插层，提高了器件的耐久性。
33.步骤s7，将具有功能层的栅极织物与源极织物和漏极织物进行封装，栅极织物以螺旋的方式缠绕在相互扭转缠绕的源极织物和漏极织物上，实现柔性神经形态器件的一维结构，使得器件能够非常便捷地实现织物结构集成，如图8所示。
34.步骤s8，利用尼龙线300作为辅助线将多个织物器件进行组装，获得具有织物交叉结构的柔性器件阵列，如图9所示。由于神经形态晶体管独特的织物结构，可以实现衣物般的高耐久弯折操作，具有极大应用价值。
35.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。