[發(fā)明專利]一種類膠質細胞神經形態(tài)器件及其制備方法

有效

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• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109585650B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設計）人: 楊玉超;程彩蝶;黃如
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發(fā)明公開了一種類膠質細胞神經形態(tài)器件及其制備方法。該器件包括絕緣襯底和位于襯底上的底電極、阻變層、介質層和頂電極，其中，所述底電極位于絕緣襯底之上，介質層位于底電極之上，該介質層中經圖形化刻蝕出孔結構，孔的底部暴露出底電極；阻變層覆蓋在該孔底部和側壁，以及包裹在該孔周圍的介質層上；頂電極位于阻變層上；阻變層和介質層皆為半導體材料，但阻變層中的離子遷移率或離子濃度與介質層不同，且介質層的厚度大于阻變層。通過在頂、底電極上施加電壓，改變介質層和阻變層中的電場強度分布，使介質層和阻變層發(fā)生離子的交互作用，從而影響阻變層中導電細絲的形成和熔斷動力學，進而有效的模擬突觸周圍環(huán)境對突觸可塑性的影響。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體領域和仿生領域，涉及神經形態(tài)器件，具體涉及一種類膠質細胞神經形態(tài)器件及其制備方法。

背景技術

伴隨著大數據時代的到來，傳統(tǒng)馮諾依曼架構因為存和算模塊相互獨立、順序計算等特點造成計算機的低運算效率、高功耗問題日益嚴峻。為解決這一問題，模擬人類大腦計算架構的神經形態(tài)計算廣受關注。因此作為神經形態(tài)計算最基本單元的神經形態(tài)器件也成為大家研究的熱點。當前神經形態(tài)器件的研究主要落腳在人工突觸器件和神經元器件上。

神經元器件顧名思義就是在器件上模擬實現生物神經元功能。神經元分為細胞體和突起兩部分。突起有樹突和軸突兩種，起到接受其他神經元軸突傳來的沖動并傳給細胞體的作用。細胞體主要作用在于聯(lián)絡和整合輸入信息并傳出信息。通常，人們用模擬運算放大器來代表胞體，用導線來代表樹突和軸突，用電阻器來代表突觸連接，其阻值即為連接權值，以此充分發(fā)揮神經網絡并行處理的特點。

生物突觸作為神經元之間的連接單元，是神經元器件的研究基礎。突觸是由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜組成。信號傳遞到突觸前膜，刺激前膜中的囊泡釋放神經遞質，遞質經過突觸間隙到達突觸后膜，改變后膜的動作電位。該過程對信號進行了傳遞。人工突觸器件是將金屬電極擬作突觸的前膜和后膜，兩電極間的半導體或者摻雜絕緣體擬作突觸間隙，然后實現一系列的突觸行為，如長時程可塑性、短時程可塑性、雙脈沖易化、突觸的再可塑性等，為神經形態(tài)計算的實現打下堅實的基礎。

但是在生物中，突觸的周圍環(huán)境膠質細胞對突觸的信號傳遞也有著較為重要的影響。神經元軸突的鉀離子外流，會導致膠質細胞去極化，從而使得膠質細胞中的Ca²⁺濃度增多，并以鈣波的形式通過縫隙連接在膠質細胞中傳播，致使膠質細胞釋放神經遞質(谷氨酸、ATP、D-絲氨酸、同型半胱氨酸等)，作用于突觸前膜或后膜，從而對突觸的長時程、短時程可塑性造成影響。但在目前的神經形態(tài)器件的研究過程中，大家僅僅只是將目光放在生物突觸本身以及神經元的累積發(fā)放特性上，而忽略了突觸的周圍環(huán)境對其突觸功能的影響。因此，充分借鑒膠質細胞對突觸功能的影響制備突觸器件顯得十分必要和關鍵。

發(fā)明內容

為了解決當前神經形態(tài)器件在模擬突觸功能方面對于突觸周圍環(huán)境的忽視，本發(fā)明的一個目的是提出一種類膠質細胞的神經形態(tài)器件，用以模擬突觸周圍環(huán)境對突觸功能的影響。

本發(fā)明的類膠質細胞神經形態(tài)器件，包括絕緣襯底和位于襯底上的底電極、阻變層、介質層和頂電極，其中，所述底電極位于絕緣襯底之上，所述介質層位于底電極之上，該介質層中經圖形化刻蝕出孔結構，孔的底部暴露出底電極；所述阻變層覆蓋在該孔底部和側壁，以及包裹在該孔周圍的介質層上；所述頂電極位于阻變層上；所述阻變層和介質層皆為半導體材料，但阻變層中的離子遷移率或離子濃度與介質層不同，且介質層的厚度大于阻變層。

對于上述類膠質細胞神經形態(tài)器件，通過在頂、底電極上施加電壓，會改變介質層和阻變層中的電場強度分布，由于介質層和阻變層中的離子濃度或者離子遷移率不同，兩者中的離子會因為徑向運動而相互作用，從而影響阻變層中導電細絲的形成和熔斷動力學，進而有效的模擬突觸周圍環(huán)境對突觸可塑性的影響。