[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

本發明公開了一種基于二維鐵電材料的人工異源突觸器件及調控方法，首次提出采用具有面內和面外極化耦合的二維鐵電材料作為功能層材料制備三端人工突觸器件，利用材料本征的極化耦合特性來實現第三端的電學調控。增加的調控端可以促進或抑制人工突觸器件的權值調控能力，使得人工突觸器件能夠完成更加復雜的仿生功能；第三端利用電場進行調控，調控的功耗極低；器件結構易于集成；每個器件能夠單獨調控，互不干擾。

技術領域

本發明屬于類腦計算技術領域，具體涉及一種基于二維鐵電材料的人工異源突觸器件及調控方法。

背景技術

傳統的馮諾依曼計算架構中存儲器和運算器是分離的，大量數據在總線上被來回搬運，進而限制了運算速率，增大了能耗。為了突破馮諾依曼瓶頸，人們提出了一些新的計算范式，包括類腦計算、存內計算等。在人腦中，大量的突觸和神經元并行存儲和處理信息，高效而低功耗。類腦計算就是受人腦的啟發而構建類腦計算機非常重要的一步，是從器件層面模擬人腦中的突觸和神經元。

近年人工突觸的研究取得了許多重要的進展。基于憶阻器、相變存儲器、晶體管的人工突觸器件被提出，并且成功模擬了生物突觸的多種長時程和短時程特性。突觸的長時程特性包括長時程促進(LTP)、長時程抑制(LTD)、脈沖時序依賴可塑性(STDP)等，突觸的短時程可塑性包括雙脈沖易化(PPF)等。但需要注意的是，大部分研究局限于同源突觸可塑性的實現，這意味著人工突觸是一個兩端器件，突觸權值的調節和探測都是在同一對端口實現。而實現異源突觸可塑性的工作較少，其根本不同在于，異源突觸引入第三端作為調控端，對另外兩端的突觸可塑性進行調控，這對于實現很多突觸功能是必須的，例如聯想學習、長時程記憶等。因此，實現可靠的人工異源突觸有著至關重要的意義，而實現第三端電調控的人工異源突觸器件需要有堅實的器件機理作為支撐。

發明內容

為了解決現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明首次提出利用面內和面外鐵電極化耦合的二維鐵電材料實現電調控的人工異源突觸的思路，提供了一種基于二維鐵電材料的人工異源突觸器件及其調控方法，通過在垂直結構的憶阻器側面引入調控端，利用二維鐵電材料面內和面外極化互相耦合的特性，實現異源端對突觸性能的調控，使得人工突觸器件能夠實現更復雜的仿生功能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：一種人工異源突觸器件，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。

上述人工異源突觸器件中，所述襯底可以是硅襯底等硬質襯底，也可以是柔性材料襯底。

所述底電極、頂電極和調控電極由導電材料通過微納加工工藝實現。底電極、頂電極和調控電極可采用多種金屬材料如Ti、Cr、Sc、Pd、Au、Pt、W、Al等，金屬氮化物如TiN等，柔性導電材料如ITO等，二維原子晶體材料如石墨烯等制備。各種電極的厚度為0.3nm～300nm。

所述功能層優選采用α-In₂Se₃或其他α相的III₂-VI₃族二維原子晶體材料，可以是單層二維材料，也可以是多層二維材料，厚度在0.9nm～1μm之間。

所述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。

所述絕緣調控層的材料可采用SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅、hBN等，厚度在0.4nm～300nm之間。

本發明還提供了上述人工異源突觸器件的制備方法，包括以下步驟：