本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種低功耗的柔性透明電子突觸器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息處理量與日俱增，基于馮·諾伊曼構(gòu)架的二進(jìn)制計算系統(tǒng)在決策、模式識別、分析等模擬計算領(lǐng)域顯得力不從心。人類大腦是非常高效且低功耗的計算系統(tǒng)，它通過內(nèi)在突觸的權(quán)重調(diào)節(jié)，調(diào)整神經(jīng)元之間的連接強弱，從而在三維空間構(gòu)建基于神經(jīng)元的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。這樣的系統(tǒng)將信息處理和存儲都分散放置在神經(jīng)元中，因此運行效率比馮·諾伊曼體系高得多。如果我們能夠制作出電阻可連續(xù)調(diào)節(jié)的器件來模擬生物突觸的權(quán)重變化，那么在非生物系統(tǒng)中也能實現(xiàn)類似大腦的計算效果，我們稱之為類腦計算。

在電子技術(shù)不斷發(fā)展的今天，柔性透明電子技術(shù)是發(fā)展可穿戴電子、建筑一體化、智能家居等技術(shù)的重要補充。制作柔性透明的電子突觸可以很好地服務(wù)于這些領(lǐng)域。將透明介質(zhì)放置在兩個透明電極之間，并控制兩電極間的電阻連續(xù)可調(diào)就可能具備生物突觸權(quán)重變化的效果。不少研究都報道了電子突觸的可能性，但是其工作電流通常不小（大于100ua）功耗也較大。這很難與人腦運行的超低功耗相比擬，特別在高密度集成的情況下會導(dǎo)致系統(tǒng)能耗的急劇攀升，不利于實際使用。因此，低功耗的柔性透明的電子突觸是很有意義的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對以上不足之處，提供了一種低功耗柔性透明電子突觸器件及其制備方法，具有功耗低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的方案是：一種低功耗柔性透明電子突觸器件，包括襯底、設(shè)置于襯底上的底部電極、設(shè)置于底部電極上的介質(zhì)層以及設(shè)置于介質(zhì)層上的頂部電極，所述介質(zhì)層與底部電極和頂部電極均電接觸。

進(jìn)一步的，所述襯底為柔性透明材質(zhì)，所述頂部電極和底部電極的材質(zhì)為透明導(dǎo)電半導(dǎo)體，所述介質(zhì)層為雙層透明氧化物。

進(jìn)一步的，所述透明材質(zhì)為聚合物薄膜pet、pes或pi；所述透明導(dǎo)電半導(dǎo)體為ito、gzo、azo或fto；所述雙層透明氧化物為hfo2和zno組成。

進(jìn)一步的，所述頂部電極接電源，所述底部電極接地。

本發(fā)明還提供一種如上述所述的低功耗柔性透明電子突觸器件的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：在襯底上通過濺射、蒸發(fā)或ald的方法制作底部電極；

步驟s2：在底部電極上通過濺射、蒸發(fā)或ald的方法制作介質(zhì)層，介質(zhì)層與所述底部電極形成良好電接觸；

步驟s3：在所述介質(zhì)層上通過濺射、蒸發(fā)或ald的方法制作頂部電極，頂部電極與所述介質(zhì)層形成良好電接觸。

進(jìn)一步的，在步驟s2中，所述介質(zhì)層采用hfo2、zno雙層薄膜制備，所述底部電極的上側(cè)通過磁控濺射法、蒸發(fā)或ald的方法制備zno納米薄膜，再通過磁控濺射、蒸發(fā)或ald方法在zno薄膜上覆蓋hfo2納米薄膜以形成介質(zhì)層。

進(jìn)一步的，通過在頂部電極上施加不同的電壓對突觸器件的電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)控制不同的電流獲得介質(zhì)層的不同電阻值，實現(xiàn)電阻值的連續(xù)性調(diào)節(jié)。本發(fā)明的電子突觸器件具有時間依賴脈沖下的學(xué)習(xí)功能。即電激勵信號到達(dá)頂部電極和底部電極的時間差越小，器件產(chǎn)生的電阻值變化越大。當(dāng)電激勵信號同時到達(dá)頂部電極和底部電極時，器件電阻值變化幾乎為零。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：本發(fā)明柔性透明且結(jié)構(gòu)簡單，其疊層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的功耗低有利于高密度集成，使得透明電子突觸器件三維拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)成為可能。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明實施例的柔性透明電子突觸器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的柔性透明電子突觸器件的電壓-電流特性曲線。

圖3為本發(fā)明實施例的柔性透明電子突觸器件在直流電壓掃描模式下，電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)過程。

圖4為本發(fā)明實施例的柔性透明電子突觸器件在單向脈沖模式下，電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)過程。

圖5為本發(fā)明實施例的柔性透明電子突觸器件對時間依賴脈沖下的學(xué)習(xí)功能。

圖中：1-頂部電極；2-介質(zhì)層；3-底部電極；4-襯底。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實施例的一種低功耗柔性透明電子突觸器件，包括襯底4、設(shè)置于襯底4上的底部電極3、設(shè)置于底部電極3上的介質(zhì)層2以及設(shè)置于介質(zhì)層2上的頂部電極1，所述介質(zhì)層2與底部電極3和頂部電極1均有良好電接觸。

從上可知，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的電子突觸器件，柔性透明且結(jié)構(gòu)簡單，通過上下疊層設(shè)置，功耗低，有利于高密度集成。

在本實施例中，所述襯底4為柔性透明材質(zhì)，所述頂部電極1和底部電極3的材質(zhì)為透明導(dǎo)電半導(dǎo)體，所述介質(zhì)層2為雙層透明氧化物。實現(xiàn)電子突觸器件全透明，可彎折，在可見光波段透過率不低于75%。

在本實施例中，所述性透明材質(zhì)為聚合物薄膜pet、pes或pi；所述透明導(dǎo)電半導(dǎo)體為ito、gzo、azo或fto；所述透明氧化物為hfo2、zno。所述介質(zhì)層2采用hfo2、zno雙層薄膜制備形成雙介質(zhì)層2。

在本實施例中，所述頂部電極1接電源，所述底部電極3接地。采用限制施加在頂?shù)纂姌O上的電壓，對介質(zhì)層2的電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過不同限制電壓獲得介質(zhì)層2的不同電阻值，實現(xiàn)電阻值的連續(xù)性調(diào)節(jié)。

本發(fā)明還提供一種如上述所述的低功耗柔性透明電子突觸器件的制備方法，包括以下步驟：

步驟s1：在襯底4上通過濺射、蒸發(fā)或ald的方法制作底部電極3；

步驟s2：在底部電極3上通過濺射、蒸發(fā)或ald的方法制作介質(zhì)層2，介質(zhì)層2與所述底部電極3形成良好電接觸；

步驟s3：在所述介質(zhì)層2上通過濺射、蒸發(fā)或ald的方法制作頂部電極1，頂部電極1與所述介質(zhì)層2形成良好電接觸。

在本實施例中，在步驟s2中，所述介質(zhì)層2采用hfo2、zno雙層薄膜制備，所述底部電極3的上側(cè)通過磁控濺射法制備zno納米薄膜，再通過磁控濺射或ald方法在zno薄膜上覆蓋hfo2納米薄膜以形成介質(zhì)層2。

在本實施例中，通過在頂部電極1上施加不同的電壓對突觸器件的電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)控制不同的電流獲得介質(zhì)層2的不同電阻值，實現(xiàn)電阻值的連續(xù)性調(diào)節(jié)。

如圖1所示，本發(fā)明提供的電子突觸器件由pet襯底4、厚度為300nm的ito作為底部電極3、厚度為15nm的zno與30nm的hfo2作為介質(zhì)層2，厚度為110nm的ito作為頂部電極1構(gòu)成，柔性透明且結(jié)構(gòu)簡單。

如圖2～5所示，通過對本發(fā)明的電子突觸器件進(jìn)行電學(xué)測試，圖2中，器件表現(xiàn)出可重復(fù)的二值存儲特性，工作電流不高于10ua。圖3中，該器件可以通過改變截止電流來實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)控。器件可以被調(diào)節(jié)到不同的電阻態(tài)，說明在同一器件上存在多種阻態(tài)，即該器件具有實現(xiàn)突觸功能的可能性。圖4為脈沖模式下，該器件的電阻連續(xù)調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)過程類似于生物神經(jīng)突觸中連接強度的調(diào)節(jié)過程，在施加刺激脈沖時變?yōu)榕d奮態(tài)（低電阻態(tài)），施加恢復(fù)脈沖時則變?yōu)檎B(tài)（高電阻態(tài)）。其中，刺激脈沖和恢復(fù)脈沖為矩形波、三角波、正弦波中的任一種或組合。圖5為該柔性透明電子突觸器件對脈沖時間依賴可塑性的測試，該學(xué)習(xí)規(guī)則與生物中的神經(jīng)突觸的規(guī)則一致，結(jié)果表明本實施例中的柔性透明電子突觸器件具有自主學(xué)習(xí)的功能。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種低功耗柔性透明電子突觸器件及其制備方法，其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低的特點，不僅有利于高密度集成的電子突觸器件構(gòu)成三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還有利于類腦計算硬件的實現(xiàn)。

上列較佳實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。