一种柔性神经视网膜器件及其制备方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种柔性神经视网膜器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着便携式电子的发展，可穿戴智能电子设备已经逐渐深入日常生活。然而，传统的集成电路芯片均基于硅片衬底，由于硅片具有的刚性特点，难以适用于可穿戴的应用场景。因此，需要发展柔性半导体材料、工艺与电路以提高器件的耐冲击性、可弯折性等可穿戴设备的技术特点。
3.铁电存储器作为一种稳定的存储电子器件，然而传统的材料体系多基于钛酸钡、锆钛酸铅等钙钛矿型氧化物，不仅含有铅等环境不友好的重金属元素，而且厚度难以微缩，无法适应集成电路的尺寸微缩发展路线。另一方面，以hfzrox、hfalox、hfsiox为代表的新型铪基铁电材料在10nm的厚度下即可产生铁电特性，并且具有极优的cmos工艺兼容性。尽管如此，铪基铁电材料仍然难以在柔性衬底稳定工作，薄膜面临弯折破裂、几乎无光响应等问题，急需开发高柔韧性的铁电材料体系以及配套沟道材料，实现具有优异光电响应的柔性电子应用。
4.传统的集成电路设备面临着存储单元与计算单元分离的结构问题，计算效率的提升遇到瓶颈，需要开发更加先进的计算体系。人脑系统作为一种高效的存算一体系统，可以消耗极小的能耗完成各种复杂的计算等任务，被认为是一种有前景的计算架构。利用电子器件模仿人脑的计算模式，构建仿生电子器件具有极大的发展潜力。更进一步地，仿生人脑的电子器件仅仅能实现存算一体的功能，只能接受来自信息感知元件的信号传递，无法对信号的采集进行干涉，导致效率的提高受限于信息感知元器件与信号传输过程。而视网膜作为一种可以感知光学图像信号并利用神经元实现信号的处理与存储的单元，对于人体的信号感知、处理与存储过程起着至关重要的作用。因此，开发具有仿生特点的神经视网膜器件具有极大的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明公开一种基于有机无机异质混合的pn结型柔性神经视网膜光电器件及其制备方案，引入有机材料并通过有机无机异质集成的方式提高铪基氧化物铁电存储器的柔韧性，利用光学和电学的双模式刺激，借助p型二维半导体与n型氧化物半导体构成的pn结型沟道结构优异的光电响应，模拟神经视网膜的光学感知、信息存储与计算处理特性，用于构建柔性神经视网膜系统。
6.柔性神经视网膜器件包括：柔性衬底；隔离层，以一定间隔形成在所述柔性衬底上；底部栅电极，形成在所述隔离层的间隔中的柔性衬底上；有机铁电聚合物薄膜，形成在上述结构上；无机铪基铁电薄膜，形成在所述有机铁电聚合物薄膜上；p型二维半导体材料层和n型氧化物半导体层，两者相互搭接形成具有光电响应的pn结型沟道层，形成在所述无机铪基铁电薄膜上，且位于所述底部栅电极上方；电极材料叠层，分别形成在p型二维半导
体材料层和n型氧化物半导体层两侧。
7.本发明的柔性神经视网膜器件中，优选为，所述柔性衬底为白云母。
8.本发明的柔性神经视网膜器件中，优选为，所述隔离层为高k氧化物介质。
9.本发明的柔性神经视网膜器件中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜为p(vdf-trfe)。
10.本发明的柔性神经视网膜器件中，优选为，所述p型二维半导体材料层为mote2，所述n型氧化物半导体层为igzo。
11.柔性神经视网膜器件制备方法包括以下步骤：在柔性衬底上以一定间隔形成隔离层；在所述隔离层的间隔中的柔性衬底上形成底部栅电极；在上述结构上形成有机铁电聚合物，在惰性气体氛围下退火，形成有机铁电聚合物薄膜；在所述有机铁电聚合物薄膜上形成无机铪基铁电材料，进行快速热退火处理，获得具有铁电性的无机铪基铁电薄膜；在所述无机铪基铁电薄膜上、所述底部栅电极上方形成相互搭接的p型二维半导体材料层和n型氧化物半导体层，作为具有光电响应的pn结型沟道层；在p型二维半导体材料层和n型氧化物半导体层两侧分别形成电极材料叠层。
12.本发明的柔性神经视网膜器件制备方法中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜为p(vdf-trfe)。
13.本发明的柔性神经视网膜器件制备方法中，优选为，所述有机铁电聚合物薄膜的退火温度为150℃～300℃，退火时长为6小时～8小时。
14.本发明的柔性神经视网膜器件制备方法中，优选为，所述p型二维半导体材料层为mote2，所述n型氧化物半导体层为igzo。
15.本发明的柔性神经视网膜器件制备方法中，优选为，利用机械剥离的方法在无机铪基铁电薄膜上制备p型二维半导体材料层，厚度为0.2nm～1nm；利用电子束光刻和物理气相沉积的方法在p型二维半导体材料层一侧搭接n型氧化物半导体层，厚度为20nm～40nm；以500℃～600℃在惰性气体氛围下快速热退火实现n型氧化物半导体的结晶形成，并改善p型二维半导体材料层与n型氧化物半导体层的接触界面。
16.有益效果：
17.(1)利用有机无机异质混合的结构提高单纯铪基氧化物薄膜的耐弯折特性，防止传统氧化物薄膜在弯折条件下的破裂导致的性能失效，提高器件在弯曲环境下的柔韧性，在应用于柔性电子时更具优势。
18.(2)采用p型二维半导体材料与n型氧化物半导体材料的搭接构建pn结型光电响应沟道，能最大程度地实现光激励下的整流特性，提高器件的光电灵敏度，为神经视网膜器件的构建奠定基础。
19.(3)利用铁电介质层与pn结沟道的集成实现柔性神经视网膜器件的制备，采用多元化的材料组合构建新型电子器件，为柔性神经视网膜器件提供了低功耗、低成本、高性能的发展思路。
附图说明
20.图1是柔性神经视网膜器件制备方法的流程图。
21.图2～图8是柔性神经视网膜器件制备方法各阶段的结构示意图。
具体实施方式
22.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。
23.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。
24.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。
25.图1是柔性神经视网膜器件制备方法的流程图。如图1所示，柔性神经视网膜器件制备方法包括以下步骤：
26.步骤s1，准备2cm
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2cm的白云母衬底100用于制备柔性神经视网膜器件。利用氧等离子体在150w～300w的功率下对衬底100表面进行处理，用于改善接触和增强表面粘附能力。
27.步骤s2，利用电子束光刻和物理气相沉积、原子层沉积、化学气相沉积等方法在白云母衬底100上定义并生长间距为30nm～50nm的hfalox、hfzrox、hfsiox或hflaox等高k氧化物材料作为隔离层101，所得结构如图2所示。生长温度为200℃～250℃，厚度为5nm～10nm。
28.步骤s3，利用电子束蒸发、热蒸发、物理气相沉积、喷墨打印等技术在隔离层101的间隔中生长制备厚度为5nm～10nm、宽度为30-50nm的底部栅电极102，如图3所示。电极材料可取pd，ru，co等。
29.步骤s4，利用溶液旋涂法或喷墨打印法在上述结构上制备p(vdf-trfe)有机铁电聚合物，在氮气等惰性气体的氛围下设定温度范围为150℃～300℃，烘烤时长为6小时～8小时，获得厚度为10nm～30nm的有机铁电聚合物薄膜103，如图4所示。
30.步骤s5，利用原子层沉积、物理气相沉积等方式在有机铁电聚合物薄膜103上生长制备厚度为5nm～8nm的hfalox、hfzrox、hfsiox或hflaox等无机铪基铁电材料，生长温度为200℃～250℃，并利用快速热退火炉在400℃～500℃的温度范围内实现无机铪基铁电材料的结晶，获得具有铁电性的无机铪基铁电薄膜104，如图5所示。
31.步骤s6，如图6所示，利用机械剥离的方法在无机铪基铁电薄膜上制备p型的mote2等二维半导体材料105作为沟道层，厚度为0.2nm～1nm，使之位于底部栅电极的上方，进一步优选地，使其在垂直方位上覆盖底部电极长度的一半，也即其在水平方向的投影与底部电极的一半重合。
32.步骤s7，利用电子束光刻和物理气相沉积的方法在p型mote2等二维半导体材料右
侧搭接n型igzo等氧化物半导体层106，如图7所示，厚度为20nm～40nm，并且利用快速热退火炉在500℃～600℃的温度范围内实现n型氧化物半导体的结晶形成并改善p型二维材料与n型氧化物材料的接触界面，气体氛围为氮气等惰性气体，形成具有光电响应的pn结型沟道层。
33.步骤s8，如图8所示，利用电子束光刻和电子束蒸发、热蒸发、物理气相沉积、喷墨打印等技术在p型mote2等二维半导体材料和n型氧化物材料的两侧生长电极材料ti/al/ni/au的叠层107，厚度分别为3～5nm/8～10nm/8～10nm/30～50nm，用于改善电极与半导体材料的金半接触，完成柔性神经形态视网膜器件的制备。
34.如图8所示，柔性神经视网膜器件包括：柔性衬底100；隔离层101，以一定间隔形成在柔性衬底100上；底部栅电极102，形成在隔离层101的间隔中的柔性衬底100上；有机铁电聚合物薄膜103，形成在上述结构上；无机铪基铁电薄膜104，形成在有机铁电聚合物薄膜103上；p型二维半导体材料层105和n型氧化物半导体层106，两者相互搭接形成具有光电响应的pn结型沟道层，形成在无机铪基铁电薄膜上104，且位于底部栅电极102上方；电极材料叠层107，分别形成在p型二维半导体材料层105和n型氧化物半导体层106两侧。
35.本发明利用有机铁电聚合物修饰铪基铁电材料的方式提高器件的弯曲柔韧性，解决传统氧化物功能层在弯曲条件下的易破碎等问题，并且两种铁电功能层的异质集成，将极大程度提高器件的铁电存储性能。利用p型二维半导体材料与n型氧化物半导体材料构建pn结型晶体管型器件，实现负向关闭、正向导通的整流效果。进一步地，选取的p型二维半导体材料与n型氧化物半导体材料构建的pn结作为沟道材料，对于紫外与可见光波段的光学刺激信号具有优异的光电响应，器件可打破传统存储器单一的存储功能，实现类似人眼视网膜的光学信号感知、数据存储以及信息处理等功能，提高了器件的灵活性与功能性。
36.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。