[发明专利]基于石墨烯/碳纳米管复合吸收层的人工神经突触晶体管

说明书

技术领域

本发明有关于一种基于石墨烯/碳纳米管复合吸收层的人工神经突触晶体管，属于人工智能领域。

背景技术

神经元芯片是模拟生物大脑结构和功能进行运算的构架，相比传统冯·诺依曼计算机，具有经验学习、强容错性和自适应性等能力，在模式识别、感知和在复杂环境中作决策等方面展现出独有的优势，在探寻新的信息表示、存储、并行运算和模式识别等领域具有极高的研究应用价值。

神经突触（Synapses）是神经元间进行信息传递的唯一结点，其可塑性指神经元之间的连接效率，根据其记忆时间的长短可分为短时可塑性（Short-term plasticity，STP）和长时可塑性（Long-term plasticity，LTP），在心理学上分别对应短时记忆和长时记忆，这正是神经元系统进行运算、学习和记忆的基础。

目前，关于人工神经突触和神经网络系统的构建和模拟，大多在晶体管（transistors）或忆阻器（memorisistors）结构中实现。但对于电激励模拟形式的晶体管或忆阻器，其输入和输出电信号间的耦合系数是固定的，不利于实现复杂的运算功能。为了解决这类问题，有研究组采用性能可调的材料进行器件结构设计，如：利用扭转双层石墨烯构建场效应晶体管（Tian, H. et al. Graphene dynamic synapse with modulatable plasticity. Nano Lett. 15, 8013-8019 (2015).），在同一个器件中实现了神经元的兴奋和抑制两种功能，并且通过调节栅压控制了突触可塑性。但真正的神经元系统，是集数据采集和信息处理于一体的，目前人工突触中数据感知模块的缺失将导致大量沉冗电路和非必要功耗产生，因此也限制了人工神经元系统的构建。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯/碳纳米管复合吸收层的人工神经突触晶体管。本发明还具体的提供了关于石墨烯/碳纳米管复合吸收层的人工神经突触晶体管在光信息存储或图像识别上的应用。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的人工突触晶体管，其中，该晶体管包括衬底、栅极介质层、石墨烯/碳纳米管复合吸收层、源极和漏极。

根据本发明的具体实施方案，在上述人工突触晶体管中，衬底的材料可以是本领域中制备衬底所常用的材料，优选地，所述衬底的材料为半导体材料。衬底可选用但不限于硅片、蓝宝石等硬质或柔性衬底，例如采用高掺杂p型Si衬底，用于支撑石墨烯/碳纳米管复合吸收层光探测晶体管结构。

根据本发明的具体实施方案，在上述人工突触晶体管中，所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金属性碳纳米管、半导体性碳纳米管中的一种或几种的组合，其中，碳纳米管层厚度为1-10nm。

根据本发明的具体实施方案，在上述人工突触晶体管中，所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯或少层石墨烯；优选地，所述少层石墨烯的层数为单层或小于（含）10层。石墨烯层所采用的石墨烯可以是掺杂的或未掺杂的，可以通过包括机械剥离、化学气相沉积等工艺来制备。

根据本发明的具体实施方案，在上述人工突触晶体管中，所述源极与漏极分别包括两层金属，其下层金属与所述石墨烯层接触；优选地，所述源极与漏极的下层金属不同，可以分别选用钛、钯、铬、和镍中的两种组合；更优选地，所述源极和漏极的总厚度为20-50nm，单层金属层的厚度至少为3nm。

根据本发明的具体实施方案，具体制备方法可采用常规方式：栅极介质层可通过热氧化法形成在衬底表面；碳纳米管层可以制成悬浊液并通过旋涂技术沉积在栅极介质层表面；石墨烯可以是常规方法制备并通过PMMA辅助的方法转移到碳纳米管层的表面；源极和漏极可以通过光刻法、lifi-off工艺、电子蒸发法形成于石墨烯的表面；在石墨烯的表面可以通过光刻制备出石墨烯沟道，并采用氧等离子体技术除去边缘石墨烯。当具有多层石墨烯、碳纳米管时，重复进行相关的制备步骤即可。

采用激光作为激励源，碳纳米管层为主要光吸收层，石墨烯层为辅助光吸收层并作为光生载流子的输运沟道。