[发明专利]一种低功耗神经突触薄膜晶体管及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低功耗神经突触薄膜晶体管及其制备方法，晶体管的结构从下至上依次为：背栅电极、栅介质层、导电沟道以及源‑漏电极，源‑漏电极设置在栅介质层的上表面，导电沟道位于源‑漏电极的上表面及两侧，在源‑漏电极的上表面形成沟道。与现有技术相比，本发明具有法焦级别的超低功耗；不同的介质层制备温度可以实现数毫秒到数千秒可调的记忆时间；同时全无机材料的使用使器件的稳定性得到了很大的提高；该低功耗神经突触薄膜晶体管的柔性和突触性能可用于柔性电子和大规模神经形态电路系统。

技术领域

本发明属于半导体器件领域，尤其是涉及一种低功耗神经突触薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

我们的大脑是一个具有～10¹¹个神经元和～10¹⁵个突触高度互联、大规模并行、结构可变的复杂网络。受人类大脑的启发，以分布式信息储存和并行架构信息处理的大规模神经形态电路系统比传统的基于集中顺序操作的冯·诺依曼计算系统在复杂环境下的效率和适应性要高得多。突触是连接神经元并在生物系统中建立神经形态结构的基本单元。因此，能够模拟生物突触行为的突触装置对于构建神经形态电子系统是必不可少的。但是神经突触器件其关键不仅在于模拟典型的突触行为，还应该着眼于单个突触事件的超低功耗和可调节的广泛的记忆时间。

两端的阻变存储器可以模拟典型的突触行为，但是在取消神经元间信号传输的情况下不能进行权重更新，而且由于其离子移动导致突触行为的机理，很难具有很低的功耗；有机纳米线结构的突触晶体管可以实现法焦量级的功耗，但是因为其使用有机材料很难进行大规模的集成；以电解质为栅介质的双电层晶体管，由于电解质的不稳定性和离子移动导致突触行为的机理，也难以大规模集成和具有很低的功耗。

因此，为了实现突触晶体管既能实现与低功耗电路集成的应用，又能够及时地进行权值的更新，就需要其同时兼顾无机、法焦量级的功耗和可调的记忆时间的特性，这也是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低功耗神经突触薄膜晶体管及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低功耗神经突触薄膜晶体管，从下至上依次为：背栅电极、栅介质层、导电沟道以及源-漏电极，

所述源-漏电极设置在所述栅介质层的上表面，

所述导电沟道位于所述源-漏电极的上表面及两侧，在所述源-漏电极的上表面形成沟道。

进一步的，该低功耗神经突触薄膜晶体管通过栅介质层与导电沟道界面的缺陷对电子俘获和释放实现突触行为。

更加进一步的，栅介质层与导电沟道界面的缺陷通过改变栅介质层与导电沟道界面的氢元素浓度进行调节。

更加进一步的，氢元素浓度通过改变栅介质层的制备温度为30-150℃进行调节。

所述栅介质层为Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、HfO₂、TiO₂或La₂O₃材料中的一种或几种的任意组合。

所述导电沟道为IGZO、ITO、In₂O₃、ZnO、SnO₂或Ga₂O₃材料中的一种或几种的任意组合。

所述背栅电极为低阻硅衬底，电阻率0.005Ω·cm。

所述源-漏电极选择的材料为Ni/Au、Cr/Au、ITO或者Ti/Au。

低功耗神经突触薄膜晶体管的制备方法，包括：