一种具有功能可重构的神经形态晶体管及其制备方法

本发明涉及晶体管领域，特别涉及一种具有功能可重构的神经形态晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、神经元是大脑信息处理的基本单元，突触则是神经元之间在功能上发生联系的部位，也是信息传递和处理的关键部位。从底层出发研制具有生物突触和神经元功能的微电子器件对于研制超低功耗“类脑芯片”和实现全新一代人工智能系统意义十分重大。

2、近年来，大量的电子器件被构筑出来模拟突触和神经元的部分功能，其中相较于两端器件，三端器件如晶体管可以同时执行信号传输和学习功能，并且具有更低的功耗和更高的稳定性而受到广泛关注。神经形态晶体管主要包括铁电晶体管和双电层晶体管两种类型，相较于双电层晶体管来说，铁电晶体管(fefet)具有更高的稳定性并且能够大规模集成，是用来构筑神经形态芯片的强有力竞争者。fefets用于模拟突触的工作原理是由于具有高介电常数能够自发极化的铁电材料作为其绝缘层，通过电压可以调控铁电材料的极化状态，从而改变沟道载流子密度，而沟道电导非易失性改变实现了突触功能的模拟。此外，每一个脉冲电压都会改变铁电材料的细微极化状态，因此也会在沟道中得到不同的电导。利用这种多级化非易失性的变化可用于记录突触权重，模拟了突触的stdp学习功能。

3、而对于脉冲神经元来说，其负责整合输入的脉冲信号并输出新的脉冲信号来传递信息。脉冲神经元的基本功能可以抽象为带泄漏的积累发放(leaky-integrate-and-fire，lif)。lif模型将神经元膜电位的变化分为两个过程描述：人为设置一个膜电位阈值，当膜电位低于阈值时，脉冲神经元体现出带泄漏的积累功能，并可用一个一阶微分方程描述；一旦膜电位高于阈值，脉冲神经元随即发放脉冲并将膜电位重置。然而，铁电器件是非易失性的，只能实现积累不能够实现泄漏功能，需要设计一个反馈路径或者对铁电层进行特殊设计，但这将增加神经元实现的硬件成本和能耗，然而反铁电材料具有本征的极化易失性，电场撤去后会逐渐恢复到未极化时的状态，具有本征的积累和泄漏功能，因此，反铁电晶体管是用于仿生脉冲神经元的强有力候选者。

4、目前单个神经形态晶体管只能够实现神经元功能或者只能够实现神经突触功能，这增加了工艺制造的复杂性并增加了制造成本。

5、为此，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种具有功能可重构的神经形态晶体管及其制备方法，解决了现有神经形态晶体管功能单一的问题，能够利用双栅结构分别控制对沟道电导的调制，可以在单个晶体管内实现脉冲神经元和神经突触功能。

2、为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一种具有功能可重构的神经形态晶体管，其包括由下至上依次堆叠的：衬底、介质隔离层、第一栅层、第一介质层、沟道层、第二介质层、第二栅层；并且所述第一介质层和所述第二介质层中的其中一个为铁电介质层，另一个为反铁电介质层；所述沟道层的两端分别设有源极层和漏极层。

4、以上神经形态晶体管具有双栅结构，两个栅(第一栅层和第二栅层)的栅电介质材料分别由易失性的反铁电材料(即反铁电介质层)和非易失性的铁电材料(即铁电介质层)组成，通过分别控制两个栅对沟道电导的调制，可以在单个晶体管内实现脉冲神经元和神经突触功能。

5、在以上基础上，各层的形状和位置关系还可以进一步改进，以减少器件缺陷、减小漏电问题、提高灵敏度等。

6、进一步地，所述第一栅层位于所述介质隔离层的部分上表面，且所述第一介质层包围所述第一栅层。

7、进一步地，所述源极层和漏极层都覆盖所述沟道层的侧面以及部分上表面。

8、进一步地，所述沟道层的其余上表面被所述第二介质层覆盖。

9、进一步地，所述第二介质层的上表面、所述源极层的上表面和所述漏极层的上表面齐平。

10、进一步地，所述第一栅层和所述第二栅层均为金属栅。

11、进一步地，所述反铁电介质层采用以下中至少一种材料：pbnb[(zrsn)ti]o、hfo2基反铁电材料；所述hfo2基反铁电材料包括hfzro、hfalo、hfsio、hflao、hfgdo中的至少一种。

12、进一步地，所述铁电介质层采用以下中至少一种材料：pzt、hfo2基铁电材料，所述hfo2基铁电材料包括hfalo、hfsio、hflao、hfgdo中的至少一种。

13、进一步地，所述沟道层采用金属氧化物半导体、离子性氧化物半导体、低维半导体材料中的至少一种；所述金属氧化物半导体包括zno、sno中的至少一种，所述离子性氧化物半导体包括igzo、izo、io、ito、iazo中的至少一种，所述低维半导体材料包括mos2、sein、ws2、bp中的至少一种。

14、本发明的第二方面提供了上文所述的具有功能可重构的神经形态晶体管的制备方法，该方法涉及的步骤通过现有设备和工艺均可实现，更易实现工业化生产，其包括下列步骤：

15、提供衬底；

16、在所述衬底的表面由下至上依次形成介质隔离层、第一栅层、第一介质层、沟道层、第二介质层、第二栅层；

17、其中，优选采用低温沉积法形成所述沟道层。

18、综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

19、(1)利用双栅结构的晶体管，两个栅的栅电介质材料分别由易失性的反铁电材料和非易失性的铁电材料组成，通过分别控制两个栅对沟道电导的调制，可以在单个晶体管内实现脉冲神经元和神经突触功能。

20、(2)制备方法简单、易操作。

技术特征：

1.一种具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，包括由下至上依次堆叠的：衬底、介质隔离层、第一栅层、第一介质层、沟道层、第二介质层、第二栅层；并且所述第一介质层和所述第二介质层中的其中一个为铁电介质层，另一个为反铁电介质层；所述沟道层的两端分别设有源极层和漏极层。

2.根据权利要求1所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述第一栅层位于所述介质隔离层的部分上表面，且所述第一介质层包围所述第一栅层。

3.根据权利要求1或2所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述源极层和漏极层都覆盖所述沟道层的侧面以及部分上表面。

4.根据权利要求3所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述沟道层的其余上表面被所述第二介质层覆盖。

5.根据权利要求4所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述第二介质层的上表面、所述源极层的上表面和所述漏极层的上表面齐平。

6.根据权利要求1所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述第一栅层和所述第二栅层均为金属栅。

7.根据权利要求1所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述反铁电介质层采用以下中至少一种材料：pbnb[(zrsn)ti]o、hfo2基反铁电材料；所述hfo2基反铁电材料包括hfzro、hfalo、hfsio、hflao、hfgdo中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述铁电介质层采用以下中至少一种材料：pzt、hfo2基铁电材料，所述hfo2基铁电材料包括hfalo、hfsio、hflao、hfgdo中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的具有功能可重构的神经形态晶体管，其特征在于，所述沟道层采用金属氧化物半导体、离子性氧化物半导体、低维半导体材料中的至少一种；所述金属氧化物半导体包括zno、sno中的至少一种，所述离子性氧化物半导体包括igzo、izo、io、ito、iazo中的至少一种，所述低维半导体材料包括mos2、sein、ws2、bp中的至少一种。

10.权利要求1-9任一项所述的具有功能可重构的神经形态晶体管的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

技术总结
本发明涉及一种具有功能可重构的神经形态晶体管及其制备方法。一种具有功能可重构的神经形态晶体管，其包括由下至上依次堆叠的：衬底、介质隔离层、第一栅层、第一介质层、沟道层、第二介质层、第二栅层；并且所述第一介质层和所述第二介质层中的其中一个为铁电介质层，另一个为反铁电介质层；所述沟道层的两端分别设有源极层和漏极层。本发明解决了现有神经形态晶体管功能单一的问题，能够利用双栅结构分别控制对沟道电导的调制，可以在单个晶体管内实现脉冲神经元和神经突触功能。

技术研发人员：殷华湘,田国良,许高博,吴振华
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13