[发明专利]基于SiNx的光读取神经突触器件结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于SiN_x的光读取神经突触器件结构及其制备方法，包括“金属/SiN_x/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；表面等离子波导从上至下具有“第二金属层/介质层/第一金属层”垂直三层结构；忆阻器从上至下具有“上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极”垂直四层结构，忆阻器第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的介质层水平相连；本发明实现神经突触权重的光读取，使得以光信号幅值和相位作为突触权重的光读取神经突触器件，具有以电阻作为突触权重的传统突触器件无法比拟的优势，表面等离子波导能够让光信号突破衍射极限进行传递，有利于器件尺寸进一步缩小。

技术领域

本发明属于硅基光子集成器件与神经形态芯片领域，具体涉及一种基于SiN_x的光读取神经突触器件及其制备方法。

背景技术

具有“金属/介质层/金属”三明治结构的忆阻器，如果施加不同的偏置电压，器件的电阻值将呈现非线性变化。这种电阻的非线性变化是由不同偏压下介质层中导电通道的形成或者消失引起的。有趣的是，这种纳米级的丝状导电通道的连接强度会随偏压的幅值和作用时间发生变化。这种特性与生物神经系统中连接不同神经元的突触的工作机制非常相似。正是忆阻器与生物系统突触的这种相似性，使其非常适合作为突触器件用于构造神经形态仿脑芯片，进而用于人工神经网络。研究证实，基于忆阻器的仿生突触是到目前为止与生物神经系统中突触最为接近的仿生器件。

忆阻器为人工神经网络提供了一种更为出色的突触器件，然而目前所有的基于忆阻器的仿生突触器件都是以电信号来读取突触器件中的突触权值。电子传递的信号带宽小，传递过程中会产生相互干扰。相比之下，光子具有信号的并行性，同时具有带宽大的特性，使得以光信号(幅值和相位)作为信息媒介对突触权重进行读取则更有优势。然而，到目前为止，在已公布的基于忆阻效应的突触器件专利中，全都是基于电子媒介对突触权重进行读取，可称之为“电调制电读取”，并没有采用光子媒介来读取神经突触的权重(参考依据：CN 104916313 A，CN 10378055A，CN105287046A，CN105304813A，CN 104934534 A，CN104376362 A)。

发明内容

本发明提出一种基于忆阻效应的新型光读取神经突触器件，以光作为信号媒介，用光强和相位代表突触权值，其目的在于突破传统神经突触器件信号处理的带宽限制，提供一种具有优良并行信号处理能力的基于SiN_x的光读取神经突触器件及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于SiN_x的光读取神经突触器件结构，包括“金属/SiN_x/金属”表面等离子波导和嵌入其中的“上电极/双阻变层/下电极”忆阻器；

所述的表面等离子波导从上至下具有“第二金属层/介质层/第一金属层”垂直三层结构；

所述忆阻器从上至下具有“上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极”垂直四层结构；

所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，忆阻器第一阻变层、第二阻变层作为光信号传播通道与表面等离子波导的介质层水平相连。

作为优选方式，第一阻变层为纯SiN_x薄膜。

作为优选方式，第二阻变层为含金属纳米颗粒的SiN_x薄膜，所述的金属纳米颗粒选自银、铜或铝，优选银。

作为优选方式，所述的上电极、下电极同为惰性电极。

作为优选方式，所述的第二阻变层是通过共溅射方法结合标准CMOS工艺获得的含银、铜、铝其中一种金属的纳米颗粒的SiN_x薄膜，x＝0.9～1.1，厚度为10nm～30nm，金属纳米颗粒含量为薄膜质量的30％～45％。