[發明專利]一種基于二維鐵電材料的人工異源突觸器件及調控方法

有效

• 申請號: 202010187425.3
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111341911B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 楊玉超;劉柯欽;黃如
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00;G11C11/22
• 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

1.一種人工異源突觸器件的制備方法，所述人工異源突觸器件包括襯底、底電極、功能層、頂電極、絕緣調控層和調控電極，其中，底電極、功能層和頂電極依次層疊在襯底上；絕緣調控層和調控電極位于功能層的側邊，絕緣調控層與功能層直接接觸，而調控電極位于絕緣調控層之上；所述功能層為二維鐵電材料；其制備方法包括以下步驟：

1)在襯底上光刻定義底電極的圖形，然后制備底電極；

2)制備二維鐵電材料，并將二維鐵電材料轉移到底電極上，作為功能層；

3)在功能層上光刻定義頂電極的圖形，然后制備頂電極；

4)在功能層的側邊光刻定義調控電極的圖形，然后依次制備絕緣調控層和調控電極。

2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述功能層采用α-In₂Se₃或其他α相的III₂-VI₃族二維原子晶體材料。

3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述α相的III₂-VI₃族二維原子晶體材料是單晶二維原子晶體材料，并且具有面內和面外互相耦合的鐵電極化。

4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述功能層厚度為0.9nm～1μm。

5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為硅襯底或柔性材料襯底；所述底電極、頂電極和調控電極的材料選自金屬材料、金屬氮化物材料、柔性導電材料和二維原子晶體材料，厚度為0.3～300nm；所述絕緣調控層的材料為SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅或hBN，厚度在0.4～300nm之間。

6.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬材料選自Ti、Cr、Sc、Pd、Au、Pt、W、Al中的一種或多種；所述金屬氮化物材料為TiN；所述柔性導電材料為ITO；所述二維原子晶體材料為石墨烯。

7.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟1)、3)和4)中，采用紫外光刻或電子束光刻的方法定義電極的圖形，然后采用電子束蒸發或磁控濺射的方法制備電極。

8.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，通過化學氣相沉積、化學氣相傳輸、分子束外延或機械剝離的方法獲得所述二維鐵電材料。

9.權利要求1～8任一所述制備方法制備的人工異源突觸器件的調控方法，包括以下方面：

(1)通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入直流寫入電壓，將頂電極接地，將調控電極浮空，并且施加限制電流，則器件將從高阻態切換至低阻態；采用這種狀態下的人工異源突觸器件來模擬生物突觸連接強度強、突觸權值大的情況；

通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入直流擦除電壓，將頂電極接地，將調控電極浮空，則器件將從低阻態切換至高阻態；采用這種狀態下的人工異源突觸器件來模擬生物突觸連接強度弱、突觸權值小的情況；

(2)通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入多個相同的脈沖寫入信號,將頂電極接地，將調控電極浮空或接地，多個相同的脈沖寫入信號使得器件的阻值逐漸降低，電導逐漸升高，最終實現人工異源突觸器件的LTP功能；

通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入多個相同的脈沖擦除信號,將頂電極接地，將調控電極浮空或接地，多個相同的脈沖擦除信號使得器件的阻值逐漸升高，電導逐漸降低，最終實現人工異源突觸器件的LTD功能；

當器件處于不同的中間阻態時，對應不同的電導狀態，因此可以模擬生物突觸不同的連接強度，并且連接強度可以連續調節，連續增大或減小；

(3)通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入多個相同的脈沖寫入信號,將頂電極接地，將調控電極輸入恒定的促進電壓，多個相同的脈沖寫入信號使得器件的阻值逐漸降低，相比于調控電極浮空或接地時，阻值降低的幅度顯著增大，電導增加的幅度增大，最終實現利用調控電極來促進人工異源突觸器件LTP的功能；

通過在所述人工異源突觸的底電極輸入多個相同的脈沖擦除信號,將頂電極接地，將調控電極輸入恒定的促進電壓，多個相同的脈沖擦除信號使得器件的阻值逐漸升高，相比于調控電極浮空或接地時，阻值升高的幅度顯著增大，電導減小的幅度增大，最終實現利用調控電極來促進人工異源突觸器件LTD的功能；

當調控電極施加恒定的促進電壓時，在相同脈沖激勵下器件的阻態變化幅度更大，對應電導的變化也更大，因此能模擬可塑性較強的生物突觸，其連接強度可以大幅度調節；

(4)通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入多個相同的脈沖寫入信號,將頂電極接地，將調控電極輸入恒定的抑制電壓，多個相同的脈沖寫入信號使得器件的阻值逐漸降低，相比于調控電極浮空或接地時，阻值降低的幅度顯著減小，電導增加的幅度減小，最終實現利用調控電極來抑制人工異源突觸器件LTP的功能；

通過在所述人工異源突觸器件的底電極輸入多個相同的脈沖擦除信號,將頂電極接地，將調控電極輸入恒定的抑制電壓，多個相同的脈沖擦除信號使得器件的阻值逐漸升高，相比于調控電極浮空或接地時，阻值升高的幅度顯著減小，電導減小的幅度減小，最終實現利用調控電極來抑制人工異源突觸器件LTD的功能；

當調控電極施加恒定的抑制電壓時，在相同脈沖激勵下器件的阻態變化幅度更小，對應電導的變化也更小，因此能模擬可塑性較弱的生物突觸，其連接強度僅可小幅度微調；

(5)通過在所述人工異源突觸器件的底電極施加讀取電壓，頂電極接地，調控電極浮空，讀取流經器件底電極和頂電極之間的電流，計算出電導作為突觸權重，從而實現人工突觸權值的讀取。