一种突触晶体管器件的制作方法

1.本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种突触晶体管器件。


背景技术：

2.目前的数字计算依赖于冯
·
诺依曼架构，它利用常规晶体管作为逻辑主干，一个逻辑电路组件仅直接连接到少数几个其它的组件，该架构在并行处理数据方面的劣势逐渐成为了当前大数据计算应用技术的瓶颈。开发基于存、算一体的人工突触器件的硬件神经网络系统可实现类人脑的高并行度计算，可作为输出层(包含节点权重存储以及激活值计算)搭建人工智能应用的硬件电路系统。目前的人工突触器件以两端rram类器件为主，不利于大规模并行结构系统的漏电管理以及同步读写功能的实现。
3.因此，如何设计一种适合组成大规模并行结构系统并减少漏电流产生的突触晶体管器件是本领域内所亟需的。


技术实现要素：

4.为了实现一种适合组成大规模并行结构系统并减少漏电流产生的突触晶体管器件。在本发明的第一方面，提出了一种突触晶体管器件，包括：衬底层101以及依次向上堆叠的铁电绝缘层103、沟道层104、光电感生层105以及钝化层106；其中，所述铁电绝缘层103配置用于在外施电压的作用下与所述光电感生层105在外界光强的作用下共同影响所述沟道层104中的载流子密度。
5.在一个或多个实施例中，所述沟道层104包括：p型沟道层或n型沟道层。
6.在一个或多个实施例中，本发明的一种突触晶体管器件还包括：第一电极102，所述第一电极102内嵌于所述铁电绝缘层103内并靠近所述铁电绝缘层103与所述衬底层101的接触面；所述第一电极102配置用于产生垂直于所述沟道层104的电场。
7.在一个或多个实施例中，本发明的一种突触晶体管器件还包括：第二电极107以及第三电极108；其中，所述第二电极107以及所述第三电极108分立于所述突触晶体管器件的两侧，并配置用于在外施电压的作用下产生成平行于所述沟道层104的电场。
8.在一个或多个实施例中，所述第二电极107以及所述第三电极108的一端分别穿过所述沟道层104并与所述铁电绝缘层103键合。
9.在一个或多个实施例中，所述钝化层106半包裹所述光电感生层105，并绝缘隔离所述光电感生层105与所述第二电极107以及所述第三电极108。
10.在一个或多个实施例中，所述铁电绝缘层103的材料包括：p(vdf-trfe)铁电绝缘材料。
11.在一个或多个实施例中，光电感生层105的材料包括：铯铅碘钙钛矿感光材料。
12.在一个或多个实施例中，所述p型沟道层的材料包括：p3ht半导体材料；所述n型沟道层的材料包括：氧化铟锌inzno或izo。
13.在一个或多个实施例中，所述衬底层101的厚度为100nm，所述铁电绝缘层103的厚
度为50nm，所述p型沟道层104的厚度为20nm，所述光电感生层105的厚度为40nm，所述钝化层106的厚度为10nm。
14.本发明的有益效果包括：本发明通过在沟道层104上下分别增加光电感生层105以及铁电绝缘层103，实现能够以单器件实现通过g端电压信号调控沟道层的电导与存储特性以及能够根据光信号诱导产生不同电流响应的特性；并且具有分离的输出(沟道电流)与输入(通常为g(栅极)电压)端，可实现同步读取和写入功能，并且其响应电流受g电压等输入信号调控，能够有效地模拟生物突触神经系统中的信息传递模式。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
16.图1为本发明的一种突触晶体管器件的侧剖示意图；
17.图2为本发明的一种突触晶体管器件的俯视阶剖示意图；
18.其中，各附图标记分别为：101衬底层、102第一电极、103铁电绝缘层、104沟道层、105光电感生层、106钝化层、107第二电极以及108第三电极。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
20.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
21.为了解决两端rram类人工突触器件不利于大规模并行结构系统的漏电管理的问题以及为了提升人工突触器件的同步读写能力。本发明提出了一种突触晶体管器件，具体的其为具有三端(三个电极)的人工突触器件，并且具有分离的输出(沟道电流)与输入(通常为g(栅极)电压)端，可实现同步读取和写入功能，并且其响应电流受g电压等输入信号调控，能够有效地模拟生物突触神经系统中的信息传递模式。以下将结合附图对本发明的突触晶体管器件进行详细说明。
22.图1为本发明的一种突触晶体管器件的侧剖示意图。如图1，本发明的突触晶体管器件包括：衬底层101以及依次向上堆叠的铁电绝缘层103、沟道层104、光电感生层105以及钝化层106；其中，铁电绝缘层103配置用于在外施电压的作用下与光电感生层105在外界光强的作用下共同影响沟道层104中的载流子密度。
23.具体的，本实施例中的沟道电流(或响应电流)将在沟道层104中受电场力作用产生，沟道电流的大小一方面受施加在沟道层104两侧的电压的影响，另一方面还与沟道层104中的载流子密度有关，载流子密度越高沟道层104的电导率越高，反之则越低。为了增加对沟道层电导的影响权重数量，以使其能够更加有效的模拟生物突触受到的外接刺激而产生的多种变化。本发明分别在沟道层104上下增加了光电感生层105以及铁电绝缘层103，其
中，光电感生层105采用了光电材料，能够在光照的激发下产生光生电子，从而提升沟道层104的电导率，而铁电绝缘层103能够在外施电压的作用下对铁电绝缘层103产生极化作用，从而影响升沟道层104的载流子密度进而影响沟道层104的电导率，并使沟道层104具备了一定的存储特性，从而用于模拟生物的记忆性。
24.在一个实施例中，沟道层104包括：p型沟道层或n型沟道层。
25.在一个实施例中，本发明的一种突触晶体管器件还包括：第一电极102，第一电极102内嵌于铁电绝缘层103内并靠近铁电绝缘层103与衬底层101的接触面；第一电极102配置用于产生垂直于沟道层104的电场。
26.具体的，第一电极102作为g极(栅极)的一个作用是极化铁电绝缘层103使其能够影响沟道层104的载流子密度，且由于其生成的栅源场强方向垂于沟道层104(即垂直于沟道电流方向)，因而能够有效减少采用本发明的突触晶体管器件大规模并联状态下的漏电流，降低阵列电路的整体功耗。
27.在一个实施例中，本发明的一种突触晶体管器件还包括：第二电极107以及第三电极108；其中，第二电极107以及第三电极108分立于突触晶体管器件的两侧，并配置用于在外施电压的作用下产生成平行于沟道层104的电场。
28.具体的，第二电极107以及第三电极108的一端分别穿过沟道层104并并与铁电绝缘层103键合；更具体的，第二电极107以及第三电极108均为金属电极，如s/d金电极，制备过程中将采用气相沉积法与铁电绝缘层103键合。
29.在一个实施例中，钝化层106半包裹光电感生层105，并绝缘隔离光电感生层105与第二电极107以及第三电极108。其中，钝化层为透光材料，主要起到保护作用。
30.在一个实施例中，铁电绝缘层103的材料包括：p(vdf-trfe)铁电绝缘材料；光电感生层105的材料包括：铯铅碘钙钛矿感光材料；p型沟道层的材料包括：p3ht半导体材料；n型沟道层的材料包括：氧化铟锌inzno或izo。
31.图2为本发明的的一种突触晶体管器件的俯视阶剖示意图。如图2所示，本发明的g极(栅极)与s极(源极)之间用于产生垂直与沟道电流的电场，以用于减少漏电流的产生。其中，第二电极107和第三电极108一个作为s极时另一个将作为d极。
32.需指出的是，本发明中图1和图2均为示意图，其示出的各层结构仅为展示各层级之间的相对位置关系，而其示出的各层级之间的大小比例关系并不对本发明的一种突触晶体管器件起到任何限制作用。
33.在一个优选的实施例中，本发明的突触晶体管器件各层结构的最佳厚度组合包括：衬底层101的厚度为100nm，铁电绝缘层103的厚度为50nm，p型沟道层104的厚度为20nm，光电感生层105的厚度为40nm，钝化层106的厚度为10nm；其中，p型沟道层的材料包括：p3ht半导体材料。
34.在另一个优选的实施例中，本发明的突触晶体管器件各层结构的最佳厚度组合包括：衬底层101的厚度为100nm，铁电绝缘层103的厚度为50nm，n型沟道层104的厚度为10nm，光电感生层105的厚度为40nm，钝化层106的厚度为10nm；其中，n型沟道层的材料包括：氧化铟锌inzno或izo。
35.在一个具体的应用实施例中，本发明的突触晶体管器件可以组成人工智能视觉系统。在设计过程中可以通过以下方式测试突触晶体管器件的各项指标性能。训练时，通过在
g端施加负、正的电脉冲可分别实现104沟道电导的逐级增强、减弱调控，并可长时程保留电导信息，以s\d电流的形式进行输出；测试时，对沟道施加760nm以下的入射激光输入，采集节点的电流输出，可实现激光图案的分类识别，模拟生物视觉。输入与输出之间可有一层或多层权重矩阵，采集上一层矩阵的节点电流作为下一层矩阵节点的g端电压输入。
36.在上述各实施例中，本发明的突触晶体管器件的技术效果还包括：能够以单器件实现通过g端电压信号调控沟道层的电导与存储特性以及能够根据光信号诱导产生不同电流响应的特性。
37.以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
38.应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
39.上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
40.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.一种突触晶体管器件，其特征在于，包括：衬底层(101)以及依次向上堆叠的铁电绝缘层(103)、沟道层(104)、光电感生层(105)以及钝化层(106)；其中，所述铁电绝缘层(103)配置用于在外施电压的作用下与所述光电感生层(105)在外界光强的作用下共同影响所述沟道层(104)中的载流子密度。2.根据权利要求1所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，所述沟道层(104)包括：p型沟道层或n型沟道层。3.根据权利要求1所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，还包括：第一电极(102)，所述第一电极(102)内嵌于所述铁电绝缘层(103)内并靠近所述铁电绝缘层(103)与所述衬底层(101)的接触面；所述第一电极(102)配置用于产生垂直于所述沟道层(104)的电场。4.根据权利要求1所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，还包括：第二电极(107)以及第三电极(108)；其中，所述第二电极(107)以及所述第三电极(108)分立于所述突触晶体管器件的两侧，并配置用于在外施电压的作用下产生成平行于所述沟道层(104)的电场。5.根据权利要求4所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，所述第二电极(107)以及所述第三电极(108)的一端分别穿过所述沟道层(104)并与所述铁电绝缘层(103)键合。6.根据权利要求5所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，所述钝化层(106)半包裹所述光电感生层(105)，并绝缘隔离所述光电感生层(105)与所述第二电极(107)以及所述第三电极(108)。7.根据权利要求1所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，所述铁电绝缘层(103)的材料包括：p(vdf-trfe)铁电绝缘材料。8.根据权利要求1所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，光电感生层(105)的材料包括：铯铅碘钙钛矿感光材料。9.根据权利要求2所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，所述p型沟道层的材料包括：p3ht半导体材料；所述n型沟道层的材料包括：氧化铟锌inzno或izo。10.根据权利要求2所述的一种突触晶体管器件，其特征在于，所述衬底层(101)的厚度为100nm，所述铁电绝缘层(103)的厚度为50nm，所述p型沟道层(104)的厚度为20nm，所述光电感生层(105)的厚度为40nm，所述钝化层(106)的厚度为10nm。

技术总结
本发明提出了一种突触晶体管器件，包括：衬底层(101)以及依次向上堆叠的铁电绝缘层(103)、沟道层(104)、光电感生层(105)以及钝化层(106)；其中，铁电绝缘层(103)配置用于在外施电压的作用下与光电感生层(105)在外界光强的作用下共同影响沟道层(104)中的载流子密度。本发明的有益效果包括：本发明通过在沟道层(104)上下分别增加光电感生层(105)以及铁电绝缘层(103)，实现能够以单器件实现通过G端电压信号调控沟道层的电导与存储特性以及能够根据光信号诱导产生不同电流响应的特性。够根据光信号诱导产生不同电流响应的特性。够根据光信号诱导产生不同电流响应的特性。


技术研发人员：赵天石 周永旺 安阳 马淑香
受保护的技术使用者：山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/18