[發明專利]一種多時間尺度的神經突觸器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202310285328.1
• 申請日: 2023-03-22
• 公開（公告）號: CN116471921A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 張續猛;李超;劉琦;劉明
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H10N70/20
• 分類號: H10N70/20;H10N70/00;G06N3/06
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳金星

本發明涉及一種多時間尺度的神經突觸器件及其制備方法，其中器件結構包括襯底、絕緣層、背柵、背介質層、溝道、源極、漏極、頂介質層和頂柵；基于背介質層和頂介質層的材料，分別選擇背柵和頂柵作為LTP調制柵或STP調制柵；在漏極施加讀電壓，源漏間的電阻值可以作為突觸的權值。通過編碼單個柵極刺激，器件可以實現多態長時程阻值轉變以及不同弛豫時間的短時程阻值轉變，進而通過同時編碼頂柵和背柵的刺激過程，突觸權值可以在不同初始態下發生短時程轉變。與現有技術相比，本發明實現了多時間尺度的功能，長時程電阻可以作為網絡權值，短時程電阻用于處理網絡時序信息，加速計算，有助于推動高階智能芯片的發展。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其是涉及一種多時間尺度的神經突觸器件及其制備方法。

背景技術

受生物大腦啟發，神經形態計算能夠低功耗、高效地實現計算，是解決當前計算架構“存儲墻”、“功耗墻”的一種途徑。神經突觸是生物大腦中傳輸、處理信號的媒介，具備多時間尺度的可塑性。其中長時程可塑性(long-term?plasticity，LTP)是學習與記憶的基礎，而短時程可塑性(short-term?plasticity，STP)能夠提供計算的能力。用單一器件實現可調控的多時間尺度人工神經突觸能夠為大規模神經形態芯片提供可能。

然而當前研究的重點局限于單一時間尺度的神經突觸器件，即僅實現LTP或STP，用于神經網絡加速或類腦算法。如See-On?Park等人公開了一種用于人工神經元和神經形態計算的高可靠動態憶阻器的實驗演示(See-On?Park?et?al.,Nature?Communications,2022.10.1038/s41467-022-30539-6.)，及Syed?Ghazi?Sarwat等人公開了一種用于混合塑性神經計算的相變模態傳遞突觸(Syed?Ghazi?Sarwat?et?al.,Nature?Nanotechnology,2022.DOI:10.1038/s41565-022-01095-3.)；目前的人工神經突觸器件無法利用器件動力學過程實現可調控的多時間尺度可塑性，只能映射生物突觸的部分功能，難以實現儲存權重同時處理數據。單一時間尺度的突觸器件難以對應生物突觸多樣的功能，不利于類腦芯片的集成和優化。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種多時間尺度的神經突觸器件及其制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種多時間尺度的神經突觸器件，包括襯底、絕緣層、背柵、背介質層、溝道、源極、漏極、頂介質層和頂柵；

所述襯底、絕緣層、背柵、背介質層、溝道、頂介質層和頂柵依次從下到上設置，源極和漏極設于溝道兩側；

基于背介質層和頂介質層的材料，分別選擇所述背柵和頂柵作為LTP調制柵或STP調制柵；

所述頂柵和背柵為對稱結構；

在漏極施加讀電壓，源極和漏極間的電阻值作為突觸器件的權值；

通過編碼單個柵極刺激，突觸器件實現多態長時程阻值轉變以及不同的弛豫時間的短時程阻值轉變，通過同時編碼頂柵和背柵的刺激過程，實現突觸器件權值在不同初始態下發生短時程轉變。

進一步地，若頂介質層選用易失性材料，背介質層選用非易失材料時，則頂柵作為STP調制柵，背柵作為LTP調制柵；

若背介質層選用易失性材料，頂介質層選用非易失材料時，則背柵作為STP調制柵，頂柵作為LTP調制柵。

進一步地，所述柵極刺激包括刺激電壓、刺激時間長度及刺激脈沖個數。

進一步地，該器件在存儲權值的過程中利用短時算法對時序數據進行計算。

一種多時間尺度的神經突觸器件制備方法，用于制備如上所述的一種多時間尺度的神經突觸器件，包括以下步驟：