一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件及其制备方法

本发明涉及有机半导体领域，具体涉及一种铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着人工智能领域的不断发展，基于神经形态计算系统的避障技术得到了飞速的进步，被广泛应用在生活中的各种领域，例如基于深度学习车辆避障系统，但是这些功能都是基于软件算法实现的，需要复杂的硬件电路设计作为支撑。受生物对危险环境进行躲避的启发，通过模拟生物中神经元和突触功能实现避障过程可以简化硬件电路，执行在更加复杂环境下的避障功能。与基于软件的深度学习算法不同，在硬件层面构建神经形态电路的策略依赖于仿生电子元件的探索和开发，例如类脑人工神经形态器件。

2、人工神经形态器件种类很多，其中，两端器件包含忆阻器、阻变存储器等，三端器件包括场效应突触晶体管、铁电晶体管存储器，电解质突触晶体管等。而其中的铁电晶体管存储器更是由于制备工艺简单，应用场景广阔，可与柔性器件集成成为目前研究的热点。

3、神经形态芯片的学习过程是权重的更新迭代过程，目前大多数神经形态器件仅含有一种电荷机理，所以导致权重更新切换只能依靠双极性电压脉冲调控。双极性电压脉冲调控是采用正负两种电压交替调控来实现神经形态器件兴奋和抑制的过程，但这种调控方式要在芯片设计复杂的外围电路，这会增加芯片的集成度和制造成本，所以这种调控方式不适应电子硬件设备多功能，低集成的发展趋势。此外，双极性调控通过正负电压切换实现晶体管兴奋和抑制的过程实际上是一种被动调节过程，这种双极性调控的权重更新曲线并不符合生物突触反应曲线中在同一脉冲刺激后，随着时间先兴奋后抑制的单极性调控特点，所以研究开发可实现单极性调控权重的器件具有重要意义。

4、有鉴于此，本发明提供了一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件及其制备方法。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有的神经形态器件存在上述问题，本发明提出了一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件及其制备方法，利用铁电层的铁电极化效应诱导半导体层空穴累积，使其空穴密度增加；利用电荷捕获层的空穴捕获作用产生内建电场使空穴密度降低，为实现单极性脉冲电压调控权重提供技术支撑。

2、
技术实现要素：
本发明同时在器件引入铁电极化层和电荷捕获层调节有机半导体层的电荷密度，使该器件同时具有铁电极化效应和电荷捕获效应。

3、本发明提供的技术方案如下：

4、一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，包含栅电极、栅绝缘层、铁电极化层、电荷捕获层、有机半导体层、源电极、漏电极，所述栅绝缘层位于栅极的正上方，所述铁电极化层位于栅绝缘层的正上方，所述电荷捕获层位于铁电极化层的正上方，所述有机半导体层位于电荷捕获层的正上方，所述源电极、漏电极位于有机半导体层的正上方。

5、进一步地，所述铁电极化层形成材料为聚偏二氟乙烯(pvdf)。

6、进一步地，所述电荷捕获层(charge trapping layer)形成材料为8-羟基喹啉铝(alq3)，十八烷基三氯硅烷(ots)，聚苯乙烯(ps)中一种。

7、进一步地，所述有机半导体层形成材料为并五苯。

8、进一步地，所述源电极、漏电极形成材料均为金属铜，所述栅绝缘层为50nm氧化硅。

9、通过上述技术方案，实现了利用铁电极化效应和电荷捕获效应达到单极性电压调控器件权重更新的目的，即：通过向栅极施加负栅压，铁电层产生铁电极化效应，诱导半导体空穴累积而增加，电荷捕获层利用空穴捕获作用产生内建电场使有机半导体层的空穴减少，利用这两种效应的协同作用，配合特定的调控方式为实现单极性调控器件权重提供技术支撑。

10、本发明还提供一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

11、(1)配制聚偏二氟乙烯溶液；

12、(2)清洗干净单抛氧化硅片后烘干；

13、(3)在步骤(2)处理的单抛氧化硅片上旋涂聚偏二氟乙烯溶液，将旋涂好的样品进行退火处理；

14、(4)在步骤(3)处理好的样品上依次蒸镀电荷捕获层、有机半导体层、源电极、漏电极，制得兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件。

15、进一步地，步骤(2)所述单抛氧化硅片的氧化层厚度为50nm，尺寸大小为2cm×2cm。

16、进一步地，步骤(3)所述的旋涂聚偏二氟乙烯溶液，其转速为2000r/min，旋涂时间为2min，聚偏二氟乙烯溶液旋涂前需要经过超声、加热预处理。

17、进一步地，样品旋涂完毕后，在150℃温度条件下进行退火处理15min。

18、进一步地，步骤(4)中蒸镀电荷捕获层的蒸镀速率为薄膜厚度控制为10nm；蒸镀有机半导体层的蒸镀速率为薄膜厚度控制为30nm；蒸镀源漏电极的蒸镀速率为电极厚度控制为50nm。

19、为了更好的说明铁电极化效应的作用，本发明还制备了一种仅具有铁电极化效应的神经形态器件，上述制备步骤中无电荷捕获层的步骤就是仅具有铁电极化效应神经形态器件的制备过程。

20、本发明具有如下有益结果：

21、(1)利用铁电极化效应和电荷捕获效应的协同作用，配合特定的调控方式，可以为实现单极性脉冲电压调控器件权重更新提供技术支撑，单极性调控过程更适合用于模拟生物突触兴奋抑制状态自切换的过程。

22、(2)目前的神经形态器件由于电荷机理单一，大多数都采用双极性电压(正、负)来实现调节电导的增加或减少的过程，如果采用双极性调控，则必须要在器件外围设计更加复杂的电路来实现，这将会增加电子硬件的设计成本、制造成本以及电路集成度，这将不利于电子设备朝着多功能，小尺寸的方向发展。而本发明通过向器件添加铁电极化层和电荷捕获层就能为实现单极性调控器件电导增加或减少提供技术支撑，这种单极性调控方式可以大大降低电路设计复杂性，且器件如果配合更灵活的调控方式，就可以集成功能更复杂的器件，这对于电子设备的多功能以及小尺寸的发展趋势是十分有利的。

23、(3)本发明提供的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，工艺简单，易于操作，且成本低易于推广。

技术特征：

1.一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，其特征在于，包含栅电极、栅绝缘层、铁电极化层、电荷捕获层、有机半导体层、源电极、漏电极，所述栅绝缘层位于栅极的正上方，所述铁电极化层位于栅绝缘层的正上方，所述电荷捕获层位于铁电极化层的正上方，所述有机半导体层位于电荷捕获层的正上方，所述源电极、漏电极位于有机半导体层的正上方。

2.根据权利要求1所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，其特征在于，所述铁电极化层形成材料为聚偏二氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，其特征在于，所述电荷捕获层形成材料为8-羟基喹啉铝，十八烷基三氯硅烷，聚苯乙烯中一种。

4.根据权利要求1所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，其特征在于，所述有机半导体层形成材料为并五苯。

5.根据权利要求1所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，其特征在于，所述源电极、漏电极形成材料均为金属铜。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述单抛氧化硅片的氧化层厚度为50nm，尺寸大小为2cm×2cm。

8.根据权利要求6所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的旋涂聚偏二氟乙烯溶液，其转速为2000r/min，旋涂时间为2min，聚偏二氟乙烯溶液旋涂前需要经过超声、加热预处理。

9.根据权利要求8所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，其特征在于，样品旋涂完毕后，在150℃温度条件下进行退火处理15min。

10.根据权利要求6所述的兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件的制备方法，其特征在于，步骤(4)中蒸镀电荷捕获层的蒸镀速率为薄膜厚度控制为10nm；蒸镀有机半导体层的蒸镀速率为薄膜厚度控制为30nm；蒸镀源漏电极的蒸镀速率为电极厚度控制为50nm。

技术总结
本发明公开了一种兼具铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件，包含栅电极、栅绝缘层、铁电极化层、电荷捕获层、有机半导体层、源电极、漏电极，所述栅绝缘层位于栅极的正上方，所述铁电极化层位于栅绝缘层的正上方，所述电荷捕获层位于铁电极化层的正上方，所述有机半导体层位于电荷捕获层的正上方，所述源电极、漏电极位于有机半导体层的正上方。本发明的神经形态器件通过添加铁电极化层和电荷捕获层，使得器件同时具备铁电极化效应及电荷捕获效应，且电学性能稳定，制备成本低，因此，这种同时具有铁电极化效应及电荷捕获效应的神经形态器件有望在集成多功能器件方面得到推广应用。

技术研发人员：郑朝月,陈希明,宋万科,刘欢,杨亚杰,李世彬
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11