一种具有宽光谱响应的突触晶体管器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及晶体管技术领域，具体涉及一种具有宽光谱响应的突触晶体管器件及其制备方法。

背景技术

在过去的半个世纪里，冯·诺依曼体系结构的计算机由于其在解决结构化数学问题方面的优势而迅速发展，然而，它们目前难以满足对高能效和智能计算日益增长的需求，因为冯·诺依曼体系结构中物理上分离的处理器和内存之间频繁的数据传输消耗了巨大的能量，作为自然界中功能最强大的信息处理器，大脑能够以超低功耗进行高速计算，分布式并行处理，且大脑也擅长智能活动，如自我学习、未来事件预测和语言理解，所以类似大脑的计算比冯·诺依曼计算更节能、更智能，因此，模仿大脑功能的神经形态计算正在成为下一代计算最重要的选择之一。

神经元之间的信息传输是通过神经系统中的突触实现的，神经形态计算的实现在很大程度上取决于突触器件的发展，现有技术中有许多基于电刺激电阻变化的各种突触器件，但由于带宽连接密度的权衡，使得电刺激电阻变化的各种突触器件具有计算速度受到限制，容易受到干扰以及高功耗的缺点，另外现有技术中的光刺激突触晶体管器件都仅局限于对紫外光、可见光或近红外中的某一个区域或是两个区域的光刺激有响应，且大部分光刺激突触晶体管器件仅探索了对单一波长光信号的响应，缺乏对紫外光、可见光和近红外光宽光谱的光信号有响应的突触晶体管器件，限制了神经形态计算的进一步发展。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有宽光谱响应的突触晶体管器件及其制备方法，为此，提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有宽光谱响应的突触晶体管器件，具有这样的特征，包括：浮栅层，用于捕获不同波长的光信号从而产生光生载流子；隧穿层，设置在浮栅层上，用于储存浮栅层内产生的光生载流子；有源层，设置在隧穿层上，用于传输电荷载流子和光生载流子；源漏电极，两个源漏电极对称设置在有源层上，用于提供驱动电压，用于驱动有源层中电荷载流子和光生载流子的流动，形成回路；基底，设置在突触晶体管器件最底端，用于作为制备突触晶体管器件的基础；栅电极，设置在基底上，用于诱导出有源层中的电荷载流子；绝缘层，设置在栅电极与浮栅层之间，用于隔绝栅电极和有源层的导通，其中，浮栅层的材料为具有宽光谱响应的量子点，有源层的材料为有机半导体材料，浮栅层与有源层之间形成异质结结构。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，浮栅层中具有宽光谱响应的量子点材料为硫化铅量子点、硒化铅量子点、硫化银量子点、硒化银量子点、铜铟硒量子点或碲化汞量子点中的至少一种，具有宽光谱响应的量子点材料的吸光范围覆盖紫外光、可见光以及近红外三个区域。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，隧穿层为二氧化硅、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或丝蛋白中的一种。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，有源层材料为具有苯环结构或噻吩结构的有机半导体，有源层的厚度为5nm～100nm。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，源漏电极材料为掺杂硅、导电金属、导电合金或导电金属氧化物中的一种，源漏电极的厚度为5nm～2000nm。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，基底的材料为玻璃基底、石英基底、硅基底、PET基底或PEN基底中的一种。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，栅电极为掺杂硅、导电金属、导电合金或导电金属氧化物中的一种。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件中，还可以具有这样的特征：其中，绝缘层材料为二氧化硅、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或丝蛋白中的一种。

本发明提供了一种具有宽光谱响应的突触晶体管器件的制备方法，用于制备上述的具有宽光谱响应的突触晶体管器件，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤S1，设置基底；步骤S2，在步骤S1设置的基底上，制备栅电极；步骤S3，在步骤S2制备的栅电极上，制备绝缘层；步骤S4，将用于制备浮栅层的材料通过旋涂、滴涂、提拉、打印、滴涂、提拉或者打印的方法制备于步骤S3制备的绝缘层上，得到浮栅层；步骤S5，将用于制备隧穿层的材料通过旋涂、滴涂、提拉、打印、滴涂、提拉或者打印的方法制备于步骤S4制备的浮栅层上，得到隧穿层；步骤S6，将用于制备有源层的材料通过旋涂、蒸镀、提拉或者打印的方法制备于步骤S5制备的隧穿层上，得到有源层；步骤S7，在步骤S6制备的有源层上，通过蒸镀或压印的方法制备两个源漏电极。

在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4、步骤S5以及步骤S6中，旋涂的方法的工艺参数为旋涂转速为500r/min-5000r/min，旋涂时间为10s-200s。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的具有宽光谱响应的突触晶体管器件及其制备方法，本发明通过在突触晶体管器件的浮栅层中引入具有宽光谱响应的量子点材料，与有源层形成异质结结构，使得浮栅层能够捕获不同波长的光信号从而产生光生载流子，有源层能够在栅电极和源漏电极的作用下传输所述光生载流子，增强突触晶体管器件中原本由电荷载流子引起的电流，实现了突触晶体管器件在宽光谱下的响应，模拟了宽光谱下的突触特性，拓宽了光响应突触晶体管器件的应用范围和场景，提高了信号处理效率。

因此，相对与现有技术中的基于电刺激电阻变化的突触晶体管器件和光刺激的突触晶体管器件，本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件具有高带宽、抗干扰效果强、低功耗、高计算速度以及信号处理效率高的优点，且不限于对单一波长信号的响应，不局限于对紫外光、可见光或近红外中的某一个区域或是两个区域的光刺激有响应。

附图说明

图1是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的结构图；

图2是本发明的制备具有宽光谱响应的突触晶体管器件的流程图；

图3是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的晶体管转移特性曲线和输出特性曲线；

图4是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的浮栅层、隧穿层以及有源层的紫外-可见-近红外吸收光谱图；

图5是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的兴奋性突触后电流行为；

图6是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的双脉冲易化行为；

图7是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的突触可塑性变化；

图8是本发明的实施例二中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的兴奋性突触后电流行为；以及

图9是本发明的实施例二中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的双脉冲易化行为。

具体实施方法

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明具有宽光谱响应的突触晶体管器件及其制备方法作具体阐述。

<实施例一>

图1是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的结构图。

如图1所示，本实施例提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件10包括，基底1、浮栅层2、隧穿层3、有源层4、栅电极5、绝缘层6和两个源漏电极7。

基底1能够做为制备突触晶体管器件的基础，基底1的材料优选为玻璃基底、石英基底、硅基底、PET基底或PEN基底中的一种，在本实施例一中为硅基底。

浮栅层2能够捕获不同波长的光信号从而产生光生载流子，浮栅层2的材料是具有宽光谱响应的量子点，材料优选为硫化铅量子点、硒化铅量子点、硫化银量子点、硒化银量子点、铜铟硒量子点或碲化汞量子点中的至少一种，在本实施例一中为硫化铅量子点。

隧穿层3能够储存浮栅层内产生的光生载流子，隧穿层3的材料优选为二氧化硅、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或丝蛋白中的一个，在本实施例一中为聚甲基丙烯酸甲酯。

根据制备工艺的不同，浮栅层2和隧穿层3可同时制备成一层，也可以分别制备成两层，在本实施例一中浮栅层2和隧穿层3为同一层。

有源层4能够传输电荷载流子和光生载流子，且浮栅层2与有源层4之间形成异质结结构，有源层4的材料为具有苯环结构或噻吩结构的有机半导体，材料优选为具有苯环结构的有机半导体包括并五苯、C8-BTBT以及DNTT，或者具有噻吩结构的有机半导体包括P3HT、PQT-12、DPP-DTT、PDPP4T以及PBTTT，在本实施例一中为并五苯。

栅电极5能够诱导出有源层中的电荷载流子，栅电极5的材料优选为掺杂硅、导电金属、导电合金或导电金属氧化物中的一个，在本实施例一中为掺杂硅。

根据制备工艺的不同，栅电极5和基底1可同时制备成一层，也可以分别制备成两层，在本实施例一中栅电极5和基底1为同一层，即该层既起到栅电极5的作用，也起到基底1的作用，带有栅电极5的基底1在使用前可进行洗涤和干燥。

绝缘层6能够隔绝栅电极和有源层的导通，绝缘层6的材料优选为二氧化硅、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或丝蛋白中的一个，在本实施例一中为二氧化硅。

两个源漏电极7能够提供驱动电压，能够驱动有源层中电荷载流子和光生载流子的流动，形成回路，两个源漏电极7的材料优选为掺杂硅、导电金属、导电合金或导电金属氧化物中的一种，在本实施例一中为金电极。

图2是本发明的制备具有宽光谱响应的突触晶体管器件的流程图；

如图2所示，在本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，设置基底；

步骤S2，在基底上，制备栅电极；

步骤S3，在栅电极上，制备绝缘层；

步骤S4，将用于制备浮栅层的材料依次通过旋涂、滴涂、提拉以及打印的方法制备于绝缘层上，得到浮栅层；

步骤S5，将用于制备隧穿层的材料依次通过旋涂、滴涂、提拉以及打印的方法制备于浮栅层上，得到隧穿层；

步骤S6，将用于制备有源层的材料通过旋涂、蒸镀、提拉或打印的方法制备于隧穿层上，得到有源层；

步骤S7，在有源层上，通过蒸镀或压印的方法对称制备两个源漏电极。

其中，在步骤S4、步骤S5以及步骤S6中，旋涂的方法的工艺参数为旋涂转速为500r/min-5000r/min，旋涂时间为10s-200s。

在本实施例一中，采用带有栅电极5的基底1，采用共混后旋涂的方法将浮栅层2和隧穿层3同时制备成同一层，则在本实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：

对应步骤S1和步骤S2，设置带有栅电极5的基底1；

对应步骤S3，对带有栅电极5的基底1依次使用丙酮和异丙醇进行超声清洗，之后再使用去离子水和乙醇进行冲洗，最后使用氮气枪吹干带有栅电极5的基底1的表面，并进行烘干，之后在带有栅电极5的基底1上沉积二氧化硅，得到绝缘层6，在本实施例一中绝缘层厚度为300nm；

对应步骤S4和步骤S5，在绝缘层6上采用共混后旋涂的方法制备浮栅层2和隧穿层3，在本实施例一中，将1.5mg/ml浓度的硫化铅量子点和10mg/ml浓度的聚甲基丙烯酸甲酯采用共混的方法溶解在甲苯溶液中，采用旋涂的方法以3000r/min的旋转速度和60s的旋涂时间在绝缘层6表面上进行旋涂，依次形成浮栅层2和隧穿层3的共混膜；

对应步骤S6，在浮栅层2和隧穿层3上，采用蒸镀和蒸镀的方法，在高真空条件下将沉积有机半导体并五苯，得到有源层4，其中，高真空条件为真空度小于1×10

对应步骤S7，在有源层4上，通过掩膜的方法，在高真空条件下将沉积金电极，制备两个对称的源漏电极7，得到具有宽光谱响应的突触晶体管器件，其中，高真空条件为真空度小于1×10

对本实施例一提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件的制备方法所制备的具有宽光谱响应的突触晶体管器件进行性能测试，分别进行晶体管转移特性曲线和输出特性曲线测试，在宽光谱光信号下的突触特性测试(包括在紫外光、可见光和近红外光信号下分别模拟兴奋性突触后电流、双脉冲易化等突触行为)和突触可塑性的变化测试，测试方法为：在室温大气环境下，使用Keithley 4200半导体测试仪和相关探针台进行相应的测试，光源采用氙灯光源和光快门，来提供特定波长和特定光强的光信号脉冲。

首先，在突触晶体管器件10的栅电极5上施加负压，在两个源漏电极7上同样施加负压，以驱动突触晶体管器件10工作，在有源层中诱导出电荷载流子，并形成回路产生电流。在突触晶体管器件10收到光照时，基于浮栅层2和有源层4形成的异质结，浮栅层2内部形成光生载流子，光生载流子包括光生电子和光生空穴，此时在栅电极5上施加负压，在两个源漏电极7上同样施加负压，由于绝缘层6隔绝栅电极5和有源层4的导通，因为平板电容原理，光生空穴会向有源层4移动以增加突触晶体管器件原有的电流，而光生电子会留在浮栅层2，当光照撤去后，因为有隧穿层3的存在，浮栅层2中的光生电子会和有源层4中的光生空穴发生缓慢附和，电流缓慢下降。

图3是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在黑暗条件和光照条件下的转移特性曲线和输出特性曲线。

图4是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的浮栅层、隧穿层以及有源层的紫外-可见-近红外吸收光谱图。

如图3所示，本发明中实施例一制备的突触晶体管器件具有良好的晶体管特性，如图4所示，本发明中实施例一制备的突触晶体管器件吸光范围覆盖了紫外光、可见光以及近红外光的范围，该测试结果是突触晶体管器件具有紫外-可见-近红外宽光谱响应的基础。

图5是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的兴奋性突触后电流行为。

图6是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的双脉冲易化行为。

在本实施例一中，进行突触行为的模拟测试，采用波长为365nm的光源作为紫外光源，波长为550nm的光源作为可见光源，波长为850nm的光源作为近红外光源，采用相同的光脉冲强度和光脉冲时间，如图5和图6所示，本发明的实施例一中制备的突触晶体管器件分别在紫外光、可见光和近红外光信号下都模拟了兴奋性突触后电流和双脉冲易化的突触行为。

图7是本发明的实施例一中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的突触可塑性变化。

在本实施例一中，进行突触可塑性的变化测试，如图7所示，通过改变光信号的脉冲时间，本发明的实施例一制备的突触晶体管器件分别在紫外光、可见光和近红外光信号下都实现了突触可塑性的变化，随着光信号的脉冲时间的增加，突触晶体管器件在紫外光、可见光和近红外光信号下都实现了突触可塑性由短时可塑性向长时可塑性的转变。

实施例一的作用与效果

根据本发明中的所涉及的具有宽光谱响应的突触晶体管器件，因为通过在突触晶体管的浮栅层中引入具有宽光谱响应的量子点材料，与有源层形成异质结结构，实现了突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的响应，模拟了宽光谱下的突触特性。实施例一基于图1的器件结构采用了具有宽光谱响应的量子点材料与有源层构建形成异质结结构，模拟了在宽光谱光信号下的突触特性，包括紫外光、可见光和近红外光信号下分别模拟了兴奋性突触后电流、双脉冲易化等突触行为，并在宽光谱光信号下实现了突触可塑性的变化功能，器件制备工艺具有普适性，拓宽了光响应突触晶体管器件的应用范围和场景。

因此，相对与现有技术中的基于电刺激电阻变化的突触晶体管器件和光刺激的突触晶体管器件，本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件具有高带宽、抗干扰效果强、低功耗、高计算速度以及信号处理效率高的优点，且不限于对单一波长信号的响应，不局限于对紫外光、可见光或近红外中的某一个区域或是两个区域的光刺激有响应。

<实施例二>

为了便于表达，本实施例中对于和实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

在本实施例二中，浮栅层2的材料为铜铟硒量子点，有源层4的材料为有机半导体P3HT，其余各层材料采用与实施例1中相同的材料。

在本实施例二中，采用带有栅电极5的基底1，采用分层进行的旋涂方法将浮栅层2和隧穿层3分开制备成两层，则在本实施例二中具有宽光谱响应的突触晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：

对应步骤S1和S2，设置带有栅电极5的基底1；

对应步骤S3，将带有栅电极5的基底1依次使用丙酮和异丙醇各自超声清洗，之后再使用去离子水和乙醇进行冲洗，最后使用氮气枪吹干带有栅电极5的基底1的表面，并进行烘干，之后在带有栅电极2的基底1沉积二氧化硅，得到绝缘层6，在本实施例二中绝缘层厚度为300nm；

对应步骤S4,在绝缘层6上，将10mg/ml浓度的铜铟硒量子点以3000r/min的旋转速度和60s的旋涂时间进行旋涂，待溶剂挥发后形成浮栅层2；

对应步骤S5，在浮栅层2上，将10mg/ml浓度的聚甲基丙烯酸甲酯以3000r/min的旋转速度和60s的旋涂时间进行旋涂，待溶剂挥发后形成隧穿层3，为防止旋涂隧穿层3时将浮栅层2破坏，在本实施例二中采用正交溶剂法来对该问题进行解决；

对应步骤S6，在隧穿层3上，将5mg/ml浓度的有机半导体P3HT，以2000r/min的旋转速度和40s的旋涂时间进行旋涂，并以60℃的退火温度和30min的退火时间进行退火，形成有源层4，为防止旋涂有源层4时将隧穿层3破坏，本实施例二中采用正交溶剂法来对该问题进行解决；

对应步骤S7，在有源层4上，通过蒸镀和掩膜的方法，在高真空条件下将沉积金电极，制备两个对称的源漏电极7，得到具有宽光谱响应的突触晶体管器件，其中高真空条件为真空度小于1×10

图8是本发明的实施例二中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的兴奋性突触后电流行为。

图9是本发明的实施例二中具有宽光谱响应的突触晶体管器件在紫外-可见-近红外光信号下的双脉冲易化行为。

对本实施例二制备方法制备的具有宽光谱响应的突触晶体管器件进行性能测试，采用波长为365nm的光源作为紫外光源，波长为500nm的光源作为可见光源，波长为850nm的光源作为近红外光源，本实施例二中其余的测试方法采用与实施例一相同的测试方法，采用相同的光脉冲强度和光脉冲时间，进行突触行为的模拟测试。如图8和图9所示，本发明的实施例二制备的突触晶体管器件同样分别在紫外光、可见光和近红外光信号下都模拟了兴奋性突触后电流和双脉冲易化的突触行为。

实施例二的作用与效果

在本实施例二中，采用了区别于实施例一的材料，浮栅层2的材料为铜铟硒量子点，有源层4的材料为有机半导体P3HT，采用分层进行的旋涂方法将浮栅层2和隧穿层3分开制备成两层，通过实施例二的制备方法所制备的突触晶体管器件同样分别在紫外光、可见光和近红外光信号下都模拟了兴奋性突触后电流和双脉冲易化的突触行为。

因此，相对与现有技术中的基于电刺激电阻变化的突触晶体管器件和光刺激的突触晶体管器件，本发明提供的具有宽光谱响应的突触晶体管器件具有高带宽、抗干扰效果强、低功耗、高计算速度以及信号处理效率高的优点，且不限于对单一波长信号的响应，不局限于对紫外光、可见光或近红外中的某一个区域或是两个区域的光刺激有响应。

上述实施方法为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。