[發明專利]基于SiNx的光讀取神經突觸器件結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201710817596.8
• 申請日: 2017-09-12
• 公開（公告）號: CN107634140B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 李偉;侯偉;茍*豪;孟文林;陳奕丞;鐘豪;李東陽;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;B82Y30/00
• 代理公司: 51232 成都點睛專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 敖歡;葛啟函<國際申請>=<國際公布>=

本發明提供一種基于SiN_x的光讀取神經突觸器件結構及其制備方法，包括“金屬/SiN_x/金屬”表面等離子波導和嵌入其中的“上電極/雙阻變層/下電極”憶阻器；表面等離子波導從上至下具有“第二金屬層/介質層/第一金屬層”垂直三層結構；憶阻器從上至下具有“上電極/第二阻變層/第一阻變層/下電極”垂直四層結構，憶阻器第一阻變層、第二阻變層作為光信號傳播通道與表面等離子波導的介質層水平相連；本發明實現神經突觸權重的光讀取，使得以光信號幅值和相位作為突觸權重的光讀取神經突觸器件，具有以電阻作為突觸權重的傳統突觸器件無法比擬的優勢，表面等離子波導能夠讓光信號突破衍射極限進行傳遞，有利于器件尺寸進一步縮小。

技術領域

本發明屬于硅基光子集成器件與神經形態芯片領域，具體涉及一種基于SiN_x的光讀取神經突觸器件及其制備方法。

背景技術

具有“金屬/介質層/金屬”三明治結構的憶阻器，如果施加不同的偏置電壓，器件的電阻值將呈現非線性變化。這種電阻的非線性變化是由不同偏壓下介質層中導電通道的形成或者消失引起的。有趣的是，這種納米級的絲狀導電通道的連接強度會隨偏壓的幅值和作用時間發生變化。這種特性與生物神經系統中連接不同神經元的突觸的工作機制非常相似。正是憶阻器與生物系統突觸的這種相似性，使其非常適合作為突觸器件用于構造神經形態仿腦芯片，進而用于人工神經網絡。研究證實，基于憶阻器的仿生突觸是到目前為止與生物神經系統中突觸最為接近的仿生器件。

憶阻器為人工神經網絡提供了一種更為出色的突觸器件，然而目前所有的基于憶阻器的仿生突觸器件都是以電信號來讀取突觸器件中的突觸權值。電子傳遞的信號帶寬小，傳遞過程中會產生相互干擾。相比之下，光子具有信號的并行性，同時具有帶寬大的特性，使得以光信號(幅值和相位)作為信息媒介對突觸權重進行讀取則更有優勢。然而，到目前為止，在已公布的基于憶阻效應的突觸器件專利中，全都是基于電子媒介對突觸權重進行讀取，可稱之為“電調制電讀取”，并沒有采用光子媒介來讀取神經突觸的權重(參考依據：CN 104916313 A，CN 10378055A，CN105287046A，CN105304813A，CN 104934534 A，CN104376362 A)。

發明內容

本發明提出一種基于憶阻效應的新型光讀取神經突觸器件，以光作為信號媒介，用光強和相位代表突觸權值，其目的在于突破傳統神經突觸器件信號處理的帶寬限制，提供一種具有優良并行信號處理能力的基于SiN_x的光讀取神經突觸器件及其制備方法。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種基于SiN_x的光讀取神經突觸器件結構，包括“金屬/SiN_x/金屬”表面等離子波導和嵌入其中的“上電極/雙阻變層/下電極”憶阻器；

所述的表面等離子波導從上至下具有“第二金屬層/介質層/第一金屬層”垂直三層結構；

所述憶阻器從上至下具有“上電極/第二阻變層/第一阻變層/下電極”垂直四層結構；

所述憶阻器嵌入在表面等離子波導之中，憶阻器第一阻變層、第二阻變層作為光信號傳播通道與表面等離子波導的介質層水平相連。

作為優選方式，第一阻變層為純SiN_x薄膜。

作為優選方式，第二阻變層為含金屬納米顆粒的SiN_x薄膜，所述的金屬納米顆粒選自銀、銅或鋁，優選銀。

作為優選方式，所述的上電極、下電極同為惰性電極。

作為優選方式，所述的第二阻變層是通過共濺射方法結合標準CMOS工藝獲得的含銀、銅、鋁其中一種金屬的納米顆粒的SiN_x薄膜，x＝0.9～1.1，厚度為10nm～30nm，金屬納米顆粒含量為薄膜質量的30％～45％。