[發明專利]一種基于等離激元效應的異質結光電突觸器件

有效

• 申請號: 202110852268.8
• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113451423B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 李梓維;黃明;潘安練
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H01L31/02
• 分類號: H01L31/02;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 長沙市和協專利代理事務所(普通合伙) 43115
• 代理人: 熊曉妹

本發明公開了一種基于等離激元效應的低維半導體光電突觸器件的制備方法，從上到下包括上電極對、金屬納米顆粒層、低維半導體層、氧化物層、基底層和底電極，其中金屬納米顆粒層和低維半導體層為異質結層。通過本發明的金屬納米顆粒/低維半導體異質結制備方法制得的異質結應用于光電突觸器件，相比現有同質結等制得的光電突觸器件，光吸收效率高、光電轉化效率高、光敏突觸電流信號強。

技術領域

本發明涉及神經形態電子學技術領域，具體涉及一種基于等離激元效應的異質結光電突觸器件。

背景技術

類比人腦的神經突觸功能，人工突觸器件具有“感知”外部電刺激或光學刺激的關鍵能力，同時兼備信息的專遞功能(稱為“突觸權重”)，其進一步表現為“學習”和“記憶”信息。許多人工器件已經報道了其在短期可塑性(STP)，長期可塑性(LTP)及其可塑性過渡調制方面具有先進的功能，如公開號為CN108777153A的中國發明專利，報道了一種多端輸入突觸器件及其可塑性調制方法，器件電導值在外部激勵的調控下連續的發生變化實現學習記憶功能；再如公開號為CN111323654A的中國發明專利，報道了一種阻變器，通過施加不同信號的電壓從而實現不同的電流曲線，達到不同的學習功能。然而，此類器件還處于研究初期，器件感知能力、新的器件原理和功能仍需進一步探索。

低維半導體材料(如過渡金屬硫族化合物、石墨烯和黑磷等)因其靈活的異質集成、直接帶隙光吸收和出色的光電轉換效率，已被開發應用于人工突觸器件，如公開號為CN111564499A的中國發明專利一種低壓多功能電荷俘獲型突觸晶體管及其制備方法，報道了利用層狀材料誘導界面俘獲/去俘獲機制實現突觸，該器件光敏材料層為半導體/半導體異質結；以及公開號為CN111783975A的中國發明專利一種利用光和質子耦合作用模擬神經突觸功能的方法，報道了光照誘導光與質子耦合,以質子遷移為主要機制的突觸器件，該器件光敏材料層為半導體。然而這些材料由于納米級超薄的厚度尺寸，對光響應的吸收有限(效率8％)，此類人工突觸器件的光響應敏感度偏低。

等離激元共振是電磁波激發下金屬納米結構中電子的集體振蕩行為，可以在金屬納米結構周圍產生巨大的電磁場增強，可在有限的維度空間顯著提升光吸收效率，改善的人工光電器件的光響應性能。然而，基于等離激元效應的異質結光電突觸器件還未見報道，該類器件的光敏異質結材料主要基于金屬納米結構層和半導體層，新型光敏異質結材料對光的敏感捕獲將有望實現高性能的人工光電突出器件。

因此，有必要設計一種基于等離激元效應的異質結光電突觸器件，能夠有效解決低維半導體人工光電突觸器件中光吸收效率低和光敏感度差等問題。

發明內容

本發明的目的提供一種基于等離激元效應的異質結光電突觸器件及其制備方法，旨在解決低維半導體作為突觸器件溝道材料，所面臨的光吸收效率低、光電轉化效率差、光敏突觸電流信號弱等問題。

本發明公開了一種基于等離激元效應的異質結光電突觸器件，從上到下包括上電極對、金屬納米顆粒層、低維半導體層、氧化物層、基底層和底電極，其中金屬納米顆粒層和低維半導體層為異質結層；

所述的上電極對在金屬納米顆粒層和低維半導體層之上，為一對金屬電極，分別作為器件的源、漏電極，電極材質可為金、銀、銅和鋁；

所述的金屬納米顆粒層和低維半導體異質結在上電極對和氧化物層之間，其中納米顆粒均勻分布在低維半導體層上，即低維半導體層在下方，該異質結是整個器件的核心材料，重要的是，本發明提出的異質結的特殊制備工藝，使得半導體材料中引入金屬原子替位摻雜，對整個光電突觸器件的工作機理和工作性能起到了至關重要的作用，其中納米顆粒可以為金納米顆粒、銀納米顆粒，顆粒直徑一般為10-100nm，顆粒的附著濃度可通過技術手段實現調節；

所述的氧化物層在異質結層和基底層之間，材質可以為氧化硅、氧化鎵、氧化鋅、氧化銦、氧化鎘、氧化錫等中的一種或者幾種，本發明采用氧化硅，厚度為200-300nm；