一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用

1.本发明涉及一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.相比红外、可见、近紫外探测器，日盲紫外探测器因全天候、高信噪比等优势在导弹追踪、保密通信、火警监测、臭氧空洞监测等军民应用领域潜力巨大。相比传统硅基紫外探测器、真空倍增管紫外探测器，采用宽禁带半导体材料如mgzno,algan,zngao,zngeo和ga2o3等制备的日盲紫外探测器具有不需要滤波器、灵敏度高、驱动电压低、体积小、易于阵列集成等优点，被认为是新一代日盲探测器的理想选择。人脑含有大量的神经元和突触，可以快速、高效地处理学习、识别、认知等复杂的非结构化问题。模拟人脑的神经结构，构建具有类突触功能、具备自主学习能力的智能光电探测系统，既能实时感知成像探测，也能模仿人类的视觉记忆实现对探测信息的学习和记忆，是光电探测的一个主流发展方向。
3.目前，日盲紫外探测还仅局限于非智能探测，已有的相关报导仅能进行实时探测，不能对探测到的信息实现记忆的功能。中国专利文献cn110534572a公开了一种近红外光调控突触晶体管及其制备方法，该器件结构是利用溶液合成法在si/sio2衬底上设置mose2/bi2se3/pmma层，100-140℃退火30-50分钟，作为近红外光调控层；然后在mose2/bi2se3/pmma层上设置p型半导体层；最后在半导体层上设置源极与漏极。虽然该器件在近红外光的刺激下实现了长时记忆和短时记忆的突触可塑性特征，但器件的制备过程相对比较复杂；此外，该器件对弱光的检测存在局限性，也不能实现对日盲紫外刺激的响应。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用。
5.本发明方法所制备的基于突触晶体管的智能日盲探测器，不仅可以实现对外部图像信息进行实时探测，还可以实现记忆的功能。
6.本发明的技术方案为：
7.一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，利用igzo/ga2o3异质结晶体管模拟生物突触的功能，所述智能日盲探测器包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、igzo前沟道层、源电极和漏电极、ga2o3背沟道层，igzo前沟道层与ga2o3背沟道层形成igzo/ga2o3异质结沟道，包括：在igzo/ga2o3异质结晶体管上施加光脉冲作为调制端突触刺激，引起igzo/ga2o3异质结沟道层上电流即突触后电流psc的变化。
8.根据本发明优选的，采用波长为190-280nm的光作为调制端突触刺激；具体是指：
9.固定栅压vg＝-80-80v、源漏电压vd＝0-80v；使用光强1-100μw/cm2，脉冲时间为100-5000ms的单脉冲对igzo/ga2o3异质结晶体管进行刺激；得到光强与突触后电流psc随时间变化的关系；
10.固定光强1-100μw/cm2，增加脉冲数量1-40，测量脉冲数量与突触后电流psc随时间的变化的关系；
11.当光强为2.7-25μw/cm2或脉冲数量为1-10的时候，突触后电流psc在较短的时间恢复到初始态，表现出短时记忆行为；随着光强大于25μw/cm2或脉冲数量增加至20，突触后电流psc衰减的速度进一步降低，实现了短时记忆到长时记忆的转换。
12.进一步优选的，采用波长为254nm的紫外光作为调制端突触刺激。
13.根据本发明优选的，利用pc计算机控制190-280nm的光的光强至1-100μw/cm2、脉冲宽度100-5000ms和脉冲数量1-40，并利用光功率计标定照射到igzo/ga2o3异质结晶体管上的光强；利用源表测试不同光照条件下igzo/ga2o3异质结晶体管的源漏电流的变化突触后电流psc，并在pc计算机上读取该具体数值。
14.根据本发明优选的，所述栅电极为ti、au、pt、al金属以及ito、重掺杂si中的一种；所述介质层为sio2、al2o3、hfo2中的一种；所述源电极和漏电极均为金属电极。
15.进一步优选的，所述栅电极为p型重掺杂si。
16.根据本发明优选的，所述介质层的厚度为50-300nm；所述igzo前沟道层的厚度为5-11nm；所述ga2o3背沟道层的厚度为5-50nm。
17.进一步优选的，所述介质层的厚度为100nm；所述igzo前沟道层的厚度为9nm；所述ga2o3背沟道层的厚度为15nm。
18.上述智能日盲探测器的制备方法，包括：
19.在衬底上生长栅电极，其上加载介质层；
20.使用射频磁控溅射法在介质层上溅射沉积igzo薄膜，形成igzo前沟道层；
21.在igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极；
22.使用射频磁控溅射法溅射沉积生长ga2o3薄膜，形成ga2o3背沟道层，既得。
23.根据本发明优选的，使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积igzo薄膜，形成igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
24.靶材为igzo陶瓷靶；
25.溅射功率为50-120w；
26.工作气压为2.5-5mtorr；
27.气体流速为10-30sccm；
28.衬底温度为25-100℃；
29.生长氛围为体积分数为0-2.5％o2含量的氩氧混合气；
30.溅射时间为1分20秒-2分54秒。
31.进一步优选的，使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积igzo薄膜，形成igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
32.溅射功率为90w；
33.工作气压为4.1mtorr；
34.气体流速为20sccm；
35.衬底温度为室温；
36.生长氛围为体积分数为2％o2含量的氩氧混合气体；
37.溅射时间为2分22秒。
38.根据本发明优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长ga2o3薄膜，形成ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
39.靶材为ga2o3陶瓷靶；
40.溅射功率为50-120w；
41.工作气压为2.5-5mtorr；
42.气体流速为10-30sccm；
43.衬底温度为25-300℃；
44.生长氛围为纯ar；
45.溅射时间为2分5秒-20分30秒。
46.进一步优选的，使用射频磁控溅射法溅射沉积生长ga2o3薄膜，形成ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
47.溅射功率为90w；
48.工作气压为4.1mtorr；
49.气体流速为20sccm；
50.衬底温度为室温；
51.溅射时间为6分9秒。
52.根据本发明优选的，形成ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：空气环境下，在110-200℃条件下退火30-120分钟。
53.进一步优选的，形成ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：在150℃条件下退火60分钟。
54.根据本发明优选的，对衬底进行抛光并进行清洗。
55.进一步优选的，对衬底进行清洗，包括：依次使用迪康清洗剂、去离子水、异丙醇、乙醇超声清洗，吹干之后备用。
56.根据本发明优选的，在igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，包括：使用电子束蒸发镀膜的方式生长20nm的ti和30nm的au，作源电极和漏电极。
57.本发明的有益效果为：
58.1.本发明所制备的突触晶体管表现出明显的突触特性，包括双脉冲易化、短时记忆、长时记忆以及“经验式学习”行为。
59.2.本发明所制备的智能日盲探测器，结合异质结与薄膜晶体管二者的优点，进一步降低了器件功耗。
60.3.本发明基于突触晶体管的智能日盲探测器，成功实现了对图像信息的实时探测和记忆。
61.4.本发明利用射频磁控溅射的方法制备，方法简单、均匀性好、易重复，适用工业大面积生产。
62.5.本发明基于突触晶体管的智能日盲探测器，由于工作在日盲波段(190-280nm)，具有高信噪比、全天候的特点。
63.6.本发明为智能日盲探测提供了一种新的、高效的解决方案，也为图像传感器和未来的先进机器人系统奠定了基础。
附图说明
64.图1为生物突触结构示意图；
65.图2为本发明方法制备的突触晶体管的智能日盲探测器结构示意图；
66.图3为无/有光照时igzo/ga2o3异质结能带示意图；
67.图4为基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用的测试平台示意图；
68.图5为基于突触晶体管的智能日盲探测器在不同光强脉冲刺激下的突触后电流变化图；
69.图6为基于突触晶体管的智能日盲探测器在不同光脉冲数量刺激下的突触后电流变化图；
70.图7为基于突触晶体管的智能日盲探测器的双脉冲易化性能曲线；
71.图8为基于突触晶体管的智能日盲探测器“经验式学习”行为示意图；
72.图9为基于突触晶体管的智能日盲探测器在不同光强下日盲探测阵列的成像和记忆行为。
具体实施方式
73.下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
74.实施例1
75.一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，利用igzo/ga2o3异质结晶体管模拟生物突触的功能，如图2所示，智能日盲探测器包括由下自上依次生长的栅电极、介质层、igzo前沟道层、源电极和漏电极、ga2o3背沟道层，igzo前沟道层与ga2o3背沟道层形成igzo/ga2o3异质结沟道，包括：在igzo/ga2o3异质结晶体管上施加光脉冲作为调制端突触刺激，引起igzo/ga2o3异质结沟道层上电流即突触后电流psc的变化。在这里igzo/ga2o3沟道层相当于生物突触间隙，生物突触结构如图1所示，漏极(d)相当于突触后膜，igzo/ga2o3沟道层上源漏电流的变化相当于突触后膜的电流变化(即：突触后电流，psc)。
76.图3为无/有光照时igzo/ga2o3异质结能带示意图；图3中(a)为无光照时igzo/ga2o3异质结能带示意图，图3中(b)有无光照时igzo/ga2o3异质结能带示意图。由于ga2o3的费米能级高于igzo，当两种半导体接触时，电子从ga2o3转移到igzo，导致能带弯曲，并在igzo的一侧形成势阱，如图3中(a)所示。当光照射到器件上时，产生光生载流子，如图3中(b)所示。在源漏电压(vd)的作用下，光生载流子被转移到igzo，有效地增加了沟道电流的传导。然而，当光被移除时，势垒阻止了载流子的快速复合，导致持久光电导效应。所以，利用产生的持久光电导效应，制备出igzo/ga2o3异质结突触晶体管。
77.实施例2
78.根据实施例1所述的一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，其区别在于：
79.采用波长为190-280nm的光作为调制端突触刺激；具体是指：
80.固定栅压vg＝-80-80v、源漏电压vd＝0-80v；使用光强1-100μw/cm2，脉冲时间为100-5000ms的单脉冲对igzo/ga2o3异质结晶体管进行刺激；得到图5所示的光强与突触后电流psc随时间变化的关系；可以看出，随着光强的增加，psc也随着增加。
81.固定光强1-100μw/cm2，增加脉冲数量1-40，测量脉冲数量与突触后电流psc随时间的变化的关系；如图6所示。可以看出随着脉冲数量的增加，psc逐渐增加。
82.因此，当光强为2.7-25μw/cm2或脉冲数量为1-10的时候，突触后电流psc在较短的时间恢复到初始态，表现出短时记忆行为；随着光强大于25μw/cm2或脉冲数量增加至20，突触后电流psc衰减的速度进一步降低，实现了短时记忆到长时记忆的转换。这与人类大脑的记忆行为非常相似。
83.实施例3
84.根据实施例2所述的一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，其区别在于：
85.采用波长为254nm的紫外光作为调制端突触刺激。
86.双脉冲易化(ppf)是生物突触中的短时可塑性特征。对于突触晶体管，ppf定义为：ppf＝(δpsc2/δpsc1)
×
100％，其中δpsc1为第一次光脉冲刺激的突触后电流，δpsc2为第二次光脉冲刺激的突触后电流。随着连续脉冲间隔时间(δt)增加，ppf指数逐渐减小，如图7所示。这与生物突触相似，脉冲间隔越短，引起的突触电流变化也就越高。
[0087]“经验式学习”行为是指在早期的学习和遗忘后，通常需要更少的时间来重新学习遗忘的信息。当100个光脉冲连续刺激突触晶体管，psc逐渐增大，光被去除，psc慢慢衰减；第二次刺激只需要25个脉冲就可以恢复到第一次刺激的水平，远远少于第一次刺激过程所需的脉冲，如图8所示。这个过程类似于人类大脑的学习、遗忘和再学习的现象。
[0088]
为了验证突触晶体管对图像信息的实时探测和对外部信号的记忆功能，制作了基于突触晶体管的3
×
3图像传感阵列。首先，将镂空“h”形状的材料覆盖传感阵列上(其余地方对254-nm光不透过)。用光强为2.7μw/cm2和25μw/cm2的20个光脉冲分别刺激每个突触晶体管，在光脉冲刺激完成后10s和100s分别记录psc。光强越强，psc越大，图像越清晰，这表明更强的刺激导致更高的记忆效果。光去除后，随着时间的推移，psc逐渐减小，图像逐渐模糊，类似于人脑的记忆遗忘的过程，如图9所示。所以，本发明提出的突触晶体管能够实现对图像信息的实时探测和记忆行为，并能准确识别不同强度的光刺激。
[0089]
实施例4
[0090]
根据实施例2所述的一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，其区别在于：
[0091]
如图4所示，利用pc计算机控制190-280nm的光的光强至1-100μw/cm2、脉冲宽度100-5000ms和脉冲数量1-40，并利用光功率计标定照射到igzo/ga2o3异质结晶体管上的光强；利用源表测试不同光照条件下igzo/ga2o3异质结晶体管的源漏电流的变化突触后电流psc，并在pc计算机上读取该具体数值。
[0092]
栅电极为ti、au、pt、al金属以及ito、重掺杂si中的一种；介质层为sio2、al2o3、hfo2中的一种；源电极和漏电极均为金属电极。
[0093]
介质层的厚度为50-300nm；igzo前沟道层的厚度为5-11nm；ga2o3背沟道层的厚度为5-50nm。
[0094]
上述的一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的制备方法，包括：
[0095]
在衬底上生长栅电极，其上加载介质层；
[0096]
使用射频磁控溅射法在介质层上溅射沉积igzo薄膜，形成igzo前沟道层；
[0097]
在igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极；
[0098]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长ga2o3薄膜，形成ga2o3背沟道层，既得。
[0099]
使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积igzo薄膜，形成igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0100]
靶材为igzo陶瓷靶；
[0101]
溅射功率为50-120w；
[0102]
工作气压为2.5-5mtorr；
[0103]
气体流速为10-30sccm；
[0104]
衬底温度为25-100℃；
[0105]
生长氛围为体积分数为0-2.5％o2含量的氩氧混合气；
[0106]
溅射时间为1分20秒-2分54秒。
[0107]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长ga2o3薄膜，形成ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0108]
靶材为ga2o3陶瓷靶；
[0109]
溅射功率为50-120w；
[0110]
工作气压为2.5-5mtorr；
[0111]
气体流速为10-30sccm；
[0112]
衬底温度为25-300℃；
[0113]
生长氛围为纯ar；
[0114]
溅射时间为2分5秒-20分30秒。
[0115]
形成ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：空气环境下，在110-200℃条件下退火30-120分钟。
[0116]
对衬底进行抛光并进行清洗，包括：依次使用迪康清洗剂、去离子水、异丙醇、乙醇超声清洗，吹干之后备用。
[0117]
在igzo前沟道层上生长金属，形成源电极和漏电极，包括：使用电子束蒸发镀膜的方式生长20nm的ti和30nm的au，作源电极和漏电极。
[0118]
实施例5
[0119]
根据实施例4所述的一种基于突触晶体管的智能日盲探测器的应用，其区别在于：
[0120]
栅电极为p型重掺杂si。
[0121]
介质层的厚度为100nm；igzo前沟道层的厚度为9nm；ga2o3背沟道层的厚度为15nm。
[0122]
使用射频磁控溅射法在衬底上溅射沉积igzo薄膜，形成igzo前沟道层，射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0123]
溅射功率为90w；
[0124]
工作气压为4.1mtorr；
[0125]
气体流速为20sccm；
[0126]
衬底温度为室温；
[0127]
生长氛围为体积分数为2％o2含量的氩氧混合气体；
[0128]
溅射时间为2分22秒。
[0129]
使用射频磁控溅射法溅射沉积生长ga2o3薄膜，形成ga2o3背沟道层；射频磁控溅射中的工艺参数如下：
[0130]
溅射功率为90w；
[0131]
工作气压为4.1mtorr；
[0132]
气体流速为20sccm；
[0133]
衬底温度为室温；
[0134]
溅射时间为6分9秒。
[0135]
形成ga2o3背沟道层之后执行如下操作，包括：在150℃条件下退火60分钟。