一種生物神經(jīng)突觸仿生電子器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種生物神經(jīng)突觸仿生電子器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]憶阻器有著很簡單的金屬/介質(zhì)層(即中間層)/金屬疊層結(jié)構(gòu)，是除電阻器、電容器、電感器之外的第四種基本無源電子器件。早在1971年，美國加州大學伯克利分校華裔電子工程師蔡少棠就預言，通過理論計算，在電阻、電容和電感之外必定存在第四種無源電子元件。37年后(2008年)，美國惠普公司宣布在Pt/Ti02_Ti02_x/Pt兩端器件中找到這個一直缺失的電路元件。憶阻器具有電阻的量綱，但有著不同于普通電阻的非線性電學性質(zhì)，其阻值會隨著流經(jīng)電荷量而發(fā)生改變，并且能夠在電流斷開時保持之前的阻值狀態(tài)，即具有記憶功能，這與生物大腦中神經(jīng)突觸的原理有著很高的相似性，突觸連接強度隨信號刺激而發(fā)生變化，并保持變化的連接強度。生物系統(tǒng)記憶和學習功能是以精確控制通過神經(jīng)元及突觸的離子流為基礎(chǔ)建立的。一方面突觸能夠動態(tài)地反應外界的電位刺激，并保持一系列連續(xù)的狀態(tài)。另一方面，作為突觸很重要的特點一一可塑性，往往會產(chǎn)生一系列與空間和時間相關(guān)聯(lián)的功能。正因為突觸這些非線性及與時間關(guān)聯(lián)等復雜的特征，導致在物理上難以對其進行精確模擬。所以利用憶阻器實現(xiàn)神經(jīng)突觸功能將會是一種簡單有效的方式，也因此這種新型神經(jīng)突觸仿生電子器件在電路、材料、生物等領(lǐng)域都引起廣泛的關(guān)注?；趹涀杵鞯男滦蜕窠?jīng)突觸仿生電子器件，有望在不久的將來實現(xiàn)無數(shù)科學家一直以來的夢想一一開發(fā)出與人腦結(jié)構(gòu)類似的認知型計算機以及類人機器人。
[0003]實現(xiàn)突觸學習功能時，其中一個典型的特性是突觸的可塑性，它是神經(jīng)突觸的一個重要的特征、同時也是人工神經(jīng)網(wǎng)絡中模擬大腦功能時必要實現(xiàn)的，記憶是通過大腦中大量突觸之間的相互連接所表現(xiàn)出來，因此，突觸可塑性被認為是學習和記憶重要的神經(jīng)化學基礎(chǔ)。突觸可塑性按照保留時間可以劃分為短時和長時兩種。短時可塑性(記憶)對應于突觸受刺激后的短暫增強神經(jīng)連接，反復刺激憶阻器時，可以發(fā)現(xiàn)記憶保持量及相應短時記憶的衰減時間都隨著刺激次數(shù)而增加，即實現(xiàn)了短時記憶向長時記憶的轉(zhuǎn)變。
[0004]要開發(fā)出與人腦結(jié)構(gòu)類似的認知型計算機以及類人機器人，必須制備出高性能突觸仿生電子器件，尤其要求器件具有優(yōu)異的時間保持性和抗疲勞特性?，F(xiàn)有文獻的報道中，憶阻器的神經(jīng)突觸器件機理多為以電場或熱能為驅(qū)動力，通過離子的迀移或材料相變來實現(xiàn)神經(jīng)突觸可塑性功能。公開號為CN103078054A和CN103078055A的專利文獻公開了基于硫系化合物憶阻器的模擬生物神經(jīng)突觸的單元及模擬神經(jīng)突觸的方法，可以看到其突觸器件單元的工作機理為焦耳熱引發(fā)的材料相變或電場引發(fā)的離子迀移致其電阻的變化而實現(xiàn)神經(jīng)突觸。而相變或材料中的離子迀移勢必會導致材料微結(jié)構(gòu)的變化，從而難以保證突觸器件實現(xiàn)優(yōu)異的時間保持性和抗疲勞特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種生物神經(jīng)突觸仿生電子器件及其制備方法，通過采用合適的上電極以及中間絕緣層薄膜組合，突觸器件表現(xiàn)出純電子行為，不涉及器件材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的改變，因此大幅改善了突觸仿生電子器件的時間保持性和抗疲勞特性。
[0006]本發(fā)明提供了一種生物神經(jīng)突觸仿生電子器件，該器件從上至下依次包括上電極、與上電極連接的中間絕緣層以及與中間絕緣層連接的下電極；且上電極的材料為金屬鈦，中間絕緣層的材料為金屬氧化物。
[0007]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，他們認真研宄的結(jié)果是:采用金屬鈦作為上電極以及金屬氧化物作為中間的電絕緣層非常關(guān)鍵，該上電極鈦電極及中間絕緣層金屬氧化物的組合能保證該生物神經(jīng)突觸仿生電子器件工作在純電子模式。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，如果采用銅、銀、鋁、金、鉑等作為上電極材料，則器件的工作模式變?yōu)殡x子的迀移模式，離子的迀移模式勢必會造成器件內(nèi)材料微結(jié)構(gòu)的變化，而本發(fā)明采用的鈦電極和金屬氧化物為絕緣層的組合，由于實現(xiàn)了純電子模式的神經(jīng)突觸模式，從而有效的實現(xiàn)器件優(yōu)異的時間保持性和抗疲勞特性。
[0008]進一步地，金屬氧化物的厚度優(yōu)選為2~300nm。
[0009]進一步地，金屬氧化物優(yōu)選為ZnO薄膜，其厚度優(yōu)選為lOOnm。
[0010]進一步地，上電極為金屬鈦薄膜，其厚度為10?200nm，進一步優(yōu)選為50nmo
[0011]本發(fā)明還提供了一種生物神經(jīng)突觸仿生電子器件的制備方法，包括如下步驟:
(I)依次在襯底上形成下電極層和中間絕緣層；
可以采用現(xiàn)有的鍍膜工藝在襯底上形成下電極層和中間絕緣層，如熱蒸發(fā)、磁控濺射、溶膠凝膠、化學氣相沉積或涂敷法，可以根據(jù)下電極層和絕緣層的材質(zhì)選擇合適的鍍膜方法。
[0012]襯底材質(zhì)可以任意選擇，對其導電性沒有特殊要求，所述的襯底可以為絕緣襯底，如玻璃、熱氧化硅片、陶瓷等電絕緣材料；也可以選用半導電襯底，如硅、氧化物半導體、氮化物半導體等半導體材料；也可以采用導電襯底，如各種金屬、石墨等導電材料。
[0013]考慮到與現(xiàn)有CMOS兼容性和在集成電子領(lǐng)域的應用，本發(fā)明中優(yōu)選采用硅基襯底，如熱氧化硅片(表面具有熱氧化層的硅片)。
[0014]下電極層通常由導電材料制備得到，可以為金屬或簡并半導體。作為優(yōu)選，所述的下電極層的材料為金屬，進一步優(yōu)選為銅、鉑、金等金屬層。作為優(yōu)選，導電層的厚度為10?200nm。
[0015]為使導電層與襯底的物理接觸和電學性能的匹配，可以在襯底和導電層之間添加厚度為5~100nm的緩沖層。例如，當襯底為熱氧化硅片時，導電層為鉑時，可以在襯底上預先形成一層鈦薄膜作為緩沖層，一方面增大鉑導電層與熱氧化硅片的粘合性，另一方面還可以有效降低電阻率。但該緩沖層不是必須的。
[0016]作為優(yōu)選，所述步驟(I)中間絕緣層的材料為金屬氧化物，進一步優(yōu)選為金屬氧化物薄膜，其厚度優(yōu)選為2~300nm，作為最佳優(yōu)選，其金屬氧化物薄膜為ZnO薄膜，其厚度進一步優(yōu)選為10nm0
[0017](2)在所述的絕緣層上形成若干個相互隔離的上電極；
上電極的材質(zhì)為金屬鈦，厚度為10~200nm，作為優(yōu)選，其厚度為50nm，該電極基于鍍膜工藝制備。為得到相互隔離的上電極，可以先在絕緣層上形成金屬鈦薄膜，然后再對形成的金屬鈦薄膜進行刻蝕，將該金屬鈦薄膜劃分為相互隔離的獨立區(qū)域，每個獨立區(qū)域即為一個上電極。
[0018]為提高制備效率，作為優(yōu)選，在中間絕緣層上制備上電極金屬鈦薄膜時，利用掩膜版，直接形成相互隔離的獨立區(qū)域。
[0019](3)對下電極層和中間絕緣層進行刻蝕除去未被上電極覆蓋的區(qū)域，即得到相互隔離的生物神經(jīng)突觸仿生電子器件。
[0020]除去未被上電極覆蓋的區(qū)域后，導電層和絕緣層被劃分為若干個與各個上電極對應的獨立區(qū)域，進而在襯底上形成若干個獨立的生物神經(jīng)突觸仿生電子器件。
[0021]本發(fā)明的制備方法中步驟(2)中制備的鈦金屬上電極的個數(shù)取決于單個上電極和襯底的大小關(guān)系。對于絕緣層上只能形成一個鈦金屬上電極的情況下，本發(fā)明的制備方法仍然適用。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
通過采用合適的鈦金屬上電極和金屬氧化物作為中間電絕緣層薄膜的組合，生物神經(jīng)突觸電子器件表現(xiàn)出純電子行為模式，該模式與目前文獻中報道的通過離子迀移或材料相變來實現(xiàn)神經(jīng)突觸可塑性功能不同，純電子迀移模式不會引起材料微結(jié)構(gòu)的變化，所以極大的增強了器件的時間保持性和抗疲勞性。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的生物神經(jīng)突觸仿生電子器件單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為實施例中制備的神經(jīng)突觸仿生電子器件單元的電流-電壓特性曲線。
[0025]圖3為實施例中制備的神經(jīng)突觸仿生電子器件單元在直流電壓掃描模式下，多個電阻態(tài)的調(diào)控過程。
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