本發(fā)明涉及微電子器件技術(shù)的，尤其是涉及一種基于碳基場(chǎng)效應(yīng)的力敏柔性突觸器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前人工智能的發(fā)展由于受到“馮諾依曼存儲(chǔ)墻瓶頸”的限制，存儲(chǔ)單元與計(jì)算單元在物理上分離，計(jì)算量大，耗能高，時(shí)效性低，在信息爆炸的時(shí)代阻礙了人工智能發(fā)展的需求。發(fā)展“感存算一體系統(tǒng)”，可以集傳感、存儲(chǔ)和計(jì)算單元于一體打破傳統(tǒng)架構(gòu)中各單元分離的瓶頸，將減少冗余數(shù)據(jù)的處理，極大降低計(jì)算機(jī)功耗，加快處理時(shí)效。

2、柔性電子皮膚是一種新型仿人類皮膚的柔性傳感器系統(tǒng)。通過(guò)電子裝置仿生人類皮膚，從而使得這類柔性傳感系統(tǒng)具有了人類皮膚的特點(diǎn)和功能，它具有可連接、低功耗、多功能等特點(diǎn)，能廣泛運(yùn)用在醫(yī)療健康、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。但像柔性電子皮膚這種類皮膚傳感系統(tǒng)它們的神經(jīng)形態(tài)功能是通過(guò)后端器件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，相較之下，人體皮膚是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，不僅有感受器感受環(huán)境變化，而且還有突觸連接的神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)邊緣存儲(chǔ)和處理。因此，類皮膚神經(jīng)形態(tài)觸覺傳感材料與器件面臨的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)為：感-存-算功能如何在柔性器件層面實(shí)現(xiàn)高度集成。

3、目前，公告號(hào)為“cn115241320a”的專利公開了一種仿生突觸晶體管及其制備方法和應(yīng)用，所述仿生突觸晶體管包括自下而上依次層疊設(shè)置的襯底、源電極和漏電極、溝道層、電荷俘獲隧穿層、感光層和鈍化層，可實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的記憶功能與對(duì)于輸入圖像的識(shí)別功能，模仿生物對(duì)于圖像的視覺識(shí)別。

4、還有公告號(hào)為“cn117525199a”的專利公開了一種異質(zhì)結(jié)感存算器件及其制備方法，所述異質(zhì)結(jié)感存算器件包括：襯底、背柵電極、第一柵介質(zhì)層/第二柵質(zhì)層/第三柵介質(zhì)層疊層、一維納米線、二維層狀半導(dǎo)體材料(與所述一維納米線搭接，形成一維二維異質(zhì)結(jié)，作為溝道層)、源電極和漏電極。在同一個(gè)器件單元實(shí)現(xiàn)了信息的感知、存儲(chǔ)與計(jì)算功能集成，提高了器件的光電感知范圍以及靈敏度，實(shí)現(xiàn)了可見近紅外波段信息感知能力的存算一體化應(yīng)用。

5、上述現(xiàn)有專利都在一定程度上實(shí)現(xiàn)感存算在器件中的一體化集成，但涉及的都是基于視覺與光電領(lǐng)域相關(guān)，且制造工藝相對(duì)復(fù)雜，感存算功能在壓力傳感器件層面的應(yīng)用仍需不斷發(fā)掘。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件，其能夠利用碳基多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電荷轉(zhuǎn)移與存儲(chǔ)特性，并結(jié)合微結(jié)構(gòu)電極的力敏與柵控特性，實(shí)現(xiàn)感-存-算功能在突觸器件界面的高度集成；本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題還包括提供一種碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件的制備方法，其使得制備出的上述碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件形成異質(zhì)結(jié)疊層和微結(jié)構(gòu)分離式界面。

2、為了解決上述技術(shù)問題，第一方面，本發(fā)明提供的碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件采用如下的技術(shù)方案：

3、一種碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件，包括重疊設(shè)置的碳基疊層共型突觸前膜和碳基場(chǎng)效應(yīng)突觸后膜，所述碳基場(chǎng)效應(yīng)突觸后膜包括溝道層、在溝道層兩端形成的源極和漏極；所述碳基疊層共型突觸前膜包括依次疊層設(shè)置的遞質(zhì)層、改性石墨烯浮柵層和介電層，所述遞質(zhì)層為六方氮化硼層或離子凝膠層，所述碳基疊層共型突觸前膜呈多個(gè)陣列分布的倒金字塔結(jié)構(gòu)，所述遞質(zhì)層和溝道層之間形成微結(jié)構(gòu)分離式界面，所述介電層接收到動(dòng)作電位脈沖時(shí)，所述遞質(zhì)層的最高位點(diǎn)可與溝道層接觸。

4、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，遞質(zhì)層、改性石墨烯浮柵層和介電層三者形成異質(zhì)結(jié)疊層。以六方氮化硼層作為遞質(zhì)層，六方氮化硼所具備的寬禁帶特性和較大的電子親和力，使其在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成較高的隧穿勢(shì)壘，可有效遏制直接隧穿電流的發(fā)生，使得能夠傳遞電荷的同時(shí)，遞質(zhì)層和介電層在改性石墨烯浮柵層周圍形成穩(wěn)定的絕緣層，以有效地隔離浮柵以阻止存儲(chǔ)在改性石墨烯浮柵層中的電荷泄漏，溝道層中電荷會(huì)在外建電場(chǎng)作用下通過(guò)遞質(zhì)層進(jìn)入改性石墨烯浮柵層，且被存儲(chǔ)于改性石墨烯浮柵層(見圖1)。介電層接收到動(dòng)作電位脈沖后，整個(gè)碳基疊層共型突觸前膜發(fā)生形變，遞質(zhì)層的最高電位與溝道層接觸，改性石墨烯浮柵層積累的部分電荷又會(huì)通過(guò)遞質(zhì)層返回至溝道層并導(dǎo)出進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換與神經(jīng)遞質(zhì)(自由電子)的傳遞；而改性石墨烯浮柵層積累的電荷利用壓力-隧穿電流的非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了非線性的力敏突觸記憶過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了感-存-算功能在突觸器件界面的高度集成。

5、并且六方氮化硼極佳的表面質(zhì)量不僅可大幅減少界面缺陷，進(jìn)而降低漏電流，同時(shí)也能確保異質(zhì)結(jié)界面的理想平整性，優(yōu)化載流子的輸運(yùn)，提升了電荷的轉(zhuǎn)移效率，提升了柔性突觸器件對(duì)壓力的靈敏度。

6、以離子凝膠層作為遞質(zhì)層，組成離子凝膠的高分子多為交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠狀嵌段共聚物，高分子共聚物里的離子液會(huì)以陰、陽(yáng)離子的狀態(tài)穩(wěn)定存在于離子凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，但在外電場(chǎng)作用下，離子在聚合物鏈和離子配位位點(diǎn)之間的局部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生陰陽(yáng)離子的遷移，從而在離子凝膠內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的電荷分布，陰陽(yáng)離子分別堆疊在介電層界面兩端，形成雙電層(見圖2)，因此離子凝膠能夠?qū)⒔殡妼邮盏降膭?dòng)作電位脈沖通過(guò)帶電離子的移動(dòng)傳遞至溝道層進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換與神經(jīng)遞質(zhì)(帶電離子)的傳遞。同時(shí)離子凝膠能夠和介電層在改性石墨烯浮柵層周圍形成穩(wěn)定的絕緣層，有效地隔離浮柵以阻止存儲(chǔ)在改性石墨烯浮柵層中的電荷泄漏，使得改性石墨烯浮柵層積累的電荷利用壓力-雙電層離子流的非線性關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)非線性的力敏突觸記憶過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了感-存-算功能在突觸器件界面的高度集成。

7、并且，通過(guò)碳基疊層共型突觸前膜呈多個(gè)陣列分布的倒金字塔結(jié)構(gòu)，通過(guò)增大可壓縮性以及應(yīng)力集中，以實(shí)現(xiàn)兩電極之間距離在低壓力下的顯著性變化，從而產(chǎn)生較大的電信號(hào)變化，顯著提高壓力傳感器的靈敏度。而遞質(zhì)層和溝道層之間形成微結(jié)構(gòu)分離式界面，且能夠提升改性石墨烯浮柵層中電荷的非易失性，進(jìn)一步強(qiáng)化這個(gè)記憶過(guò)程。

8、本發(fā)明通過(guò)將人工突觸電子學(xué)與異質(zhì)結(jié)技術(shù)相結(jié)合制備得到突觸器件，整個(gè)突觸器件的力敏浮柵為陣列式微分離結(jié)構(gòu)，并合理運(yùn)用多種碳基材料集成，基于碳基場(chǎng)效應(yīng)在壓力傳感領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)感存算功能在突觸界面的高度集成，不僅實(shí)現(xiàn)了力-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，還具有神經(jīng)元的記憶、學(xué)習(xí)和訓(xùn)練等功能，能夠模擬由神經(jīng)元和突觸組成的生物神經(jīng)系統(tǒng)，使得突觸器件具有并行性、低功耗、容錯(cuò)性、自學(xué)習(xí)和魯棒性等特點(diǎn)，有潛力克服傳統(tǒng)的馮·諾依曼瓶頸，創(chuàng)造一種新的范式來(lái)處理模式識(shí)別、圖像分類、決策和聯(lián)想學(xué)習(xí)等復(fù)雜問題。

9、可選的，所述介電層遠(yuǎn)離改性石墨烯浮柵層的一側(cè)側(cè)面覆蓋設(shè)置有頂柵層，所述頂柵層的材料為碳納米復(fù)合材料。

10、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，碳納米復(fù)合材料使得頂柵層能夠?qū)⑷嵝酝挥|器件所受壓力轉(zhuǎn)換為的動(dòng)作電位脈沖，從而驅(qū)動(dòng)了整個(gè)加權(quán)和計(jì)算過(guò)程，實(shí)現(xiàn)分布式壓力的并行處理。

11、可選的，所述介電層的材料為氮化硼、氧化鉿中的至少一種。

12、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，氮化硼、氧化鉿均具有優(yōu)異的絕緣性能，從而能夠有效阻止存儲(chǔ)在改性石墨烯浮柵層的電荷泄露，保障突觸器件的力-電轉(zhuǎn)換過(guò)程和記憶過(guò)程。

13、可選的，所述溝道層是碳納米管在柔性襯底上經(jīng)集成處理后形成。

14、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，以柔性襯底作為突觸器件的基礎(chǔ)襯底，再柔性襯底上集成碳納米管得到溝道層，使得溝道層具有電信號(hào)高敏感度的同時(shí)，得到接近仿生人體皮膚的柔性突觸器件。

15、可選的，所述離子凝膠的制備方法包括以下步驟：

16、將質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為0.1：(0.01-0.015)：(3-5)的聚氧化乙烯、高氯酸鋰和甲醇配制得到混合溶液，對(duì)所述混合溶液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，?duì)混合溶液進(jìn)行離心，取其上層清液得到離子凝膠。

17、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，上述制備的離子凝膠能夠使得陰、陽(yáng)離子能夠穩(wěn)定存在于離子凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的同時(shí)，又使得陰陽(yáng)離子的遷移對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)更加靈敏，以進(jìn)一步增強(qiáng)改性石墨烯浮柵層中電荷的非易失性，加強(qiáng)記憶過(guò)程，同時(shí)進(jìn)一步提升突觸器件壓力傳感的靈敏度。

18、第二方面，本發(fā)明提供的碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件的制備方法采用如下的技術(shù)方案：

19、一種碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件的制備方法，包括以下步驟：

20、制備陣列有多個(gè)倒金字塔結(jié)構(gòu)凹槽的模具，將所述模具放至反應(yīng)腔體內(nèi)，使得所述反應(yīng)腔體的溫度保持為900-1100℃且在9-11sccm流量的h2氛圍下、以及0.01-0.2pa的真空環(huán)境內(nèi)；

21、向所述反應(yīng)腔體內(nèi)通入硼氨烷揮發(fā)體，在模具內(nèi)表面生長(zhǎng)形成遞質(zhì)層；再向所述反應(yīng)腔體內(nèi)通入混合氣體，所述混合氣體包括流速比為10：(0.01-3)：(190-210)的甲烷、氨氣和惰性氣體，在所述遞質(zhì)層表面生長(zhǎng)得到改性石墨烯浮柵層；

22、繼續(xù)向所述反應(yīng)腔體內(nèi)通入硼氨烷揮發(fā)體，在所述改性石墨烯浮柵層上沉積得到介電層；將所述模具從反應(yīng)腔體取出，在所述介電層表面澆注碳納米復(fù)合材料，固化后得到頂柵層，即制備得到碳基疊層共形突觸前膜；

23、將所述碳基疊層共形突觸前膜從模具轉(zhuǎn)移至臨時(shí)襯底進(jìn)行保存，使用時(shí)將碳基疊層共形突觸前膜和碳基場(chǎng)效應(yīng)突觸后膜進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)組裝，再去除所述臨時(shí)襯底，得到碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件。

24、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，通過(guò)上述步驟使得為六方氮化硼層的遞質(zhì)層、改性石墨烯浮柵層和介電層之間能夠形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)疊層，并且使得遞質(zhì)層和溝道層之間能夠形成微結(jié)構(gòu)分離式界面。并且通過(guò)摻入氨氣，對(duì)石墨烯進(jìn)行n型氮摻雜改性處理，使得形成的改性石墨烯浮柵層實(shí)質(zhì)為碳原子、氮原子混合薄膜，使得改性石墨烯浮柵層具有更好的機(jī)械性能、以及能夠形成更高的局域電荷，從而使得突觸器件具有更好的壓力傳感靈敏度。

25、可選的，沉積所述遞質(zhì)層和介電層的操作均包括以下步驟：

26、所述反應(yīng)腔體連通設(shè)置有裝有硼氨烷的腔體，從所述裝有硼氨烷的腔體向所述反應(yīng)腔體內(nèi)通入流速為40-60sccm的惰性氣體，使得硼氨烷揮發(fā)體跟隨惰性氣體氣流一起進(jìn)入反應(yīng)腔體,在模具內(nèi)表面生長(zhǎng)形成遞質(zhì)層。

27、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，通過(guò)設(shè)置一定流速的惰性氣體經(jīng)過(guò)硼氨烷，能夠?qū)⒑线m量的硼氨烷揮發(fā)體帶入反應(yīng)腔體內(nèi)，以能夠在模具上形成厚薄均勻的六方氮化硼層。

28、可選的，所述遞質(zhì)層中六方氮化硼的沉積層數(shù)為1-2層，所述介電層中氮化硼的沉積層數(shù)為15-20層。

29、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，介電層的六方氮化硼的沉積層數(shù)生長(zhǎng)15-20層，能夠防止頂柵層與改性石墨烯浮柵層導(dǎo)通，而導(dǎo)致改性石墨烯浮柵層喪失儲(chǔ)存電荷的能力以及壓力-離子/電子流的非線性關(guān)系，從而喪失記憶存儲(chǔ)功能。

30、可選的，將所述碳基疊層共形突觸前膜轉(zhuǎn)移至臨時(shí)襯底的操作具體包括以下步驟：

31、將聚二甲基硅氧烷旋涂于頂柵層，烘干后得到臨時(shí)襯底/碳基疊層共形突觸前膜/模具的結(jié)合物，將上述結(jié)合物半浸沒于刻蝕液中，并保證模具與刻蝕液接觸，刻蝕去除模具。

32、可選的，所述模具的制備包括以下步驟：

33、對(duì)硅片進(jìn)行清洗以去除表面雜質(zhì)，在硅片上進(jìn)行光刻，使得硅片的二氧化硅層中周期性微米級(jí)的正方形孔洞暴露出來(lái)；再對(duì)二氧化硅層暴露出的正方形孔洞進(jìn)行干法刻蝕，清洗干凈后，再用氫氧化鉀和異丙醇對(duì)硅片進(jìn)行濕法刻蝕，在硅片上得到多個(gè)陣列分布的倒金字塔結(jié)構(gòu)凹槽。

34、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，先通過(guò)光刻對(duì)多個(gè)倒金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位并使對(duì)應(yīng)為的二氧化硅層暴露出來(lái)，再通過(guò)干法刻蝕對(duì)正方形孔洞進(jìn)行高效刻蝕加深，最后通過(guò)氫氧化鉀對(duì)硅片的各向異性刻蝕，以形成多個(gè)規(guī)則的金字塔尖結(jié)構(gòu)。

35、第三方面，本發(fā)明提供的碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件的制備方法采用如下的技術(shù)方案：

36、一種碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件的制備方法，包括以下步驟：

37、制備陣列有多個(gè)倒金字塔結(jié)構(gòu)凹槽的模具，將所述模具放至反應(yīng)腔體內(nèi)，使得所述反應(yīng)腔體的溫度保持為900-1100℃且在9-11sccm流量的h2氛圍下、以及0.01-0.2pa的真空環(huán)境內(nèi)；

38、在所述模具內(nèi)表面生長(zhǎng)得到改性石墨烯浮柵層，然后繼續(xù)在改性石墨烯浮柵層模具內(nèi)表面生長(zhǎng)形成介電層；將所述模具從反應(yīng)腔體取出，在所述介電層表面澆注碳納米復(fù)合材料，固化后得到頂柵層；

39、將頂柵層與臨時(shí)襯底結(jié)合，去除模具，在所述改性石墨烯浮柵層的表面涂上離子凝膠并固化形成遞質(zhì)層，即得到碳基疊層共形突觸前膜；

40、使用時(shí)將碳基疊層共形突觸前膜和碳基場(chǎng)效應(yīng)突觸后膜進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)組裝，再去除所述臨時(shí)襯底，得到碳基場(chǎng)效應(yīng)力敏突觸器件。

41、通過(guò)采用上述技術(shù)方案，通過(guò)上述步驟使得為離子凝膠呈的遞質(zhì)層、改性石墨烯浮柵層和介電層之間能夠形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)疊層，將人工突觸電子學(xué)與異質(zhì)結(jié)技術(shù)相結(jié)合，突觸器件整體結(jié)構(gòu)采用分離式設(shè)計(jì)，并合理運(yùn)用碳納米復(fù)合材料、石墨烯、碳納米管多種碳基材料集成，基于碳基場(chǎng)效應(yīng)在壓力傳感領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)感存算功能在突觸界面的高度集成。

42、綜上所述，本發(fā)明包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

43、1.通過(guò)六方氮化硼或離子凝膠能夠和介電層在改性石墨烯浮柵層周圍形成穩(wěn)定的絕緣層，有效地隔離浮柵以阻止存儲(chǔ)在改性石墨烯浮柵層中的電荷泄漏，使得改性石墨烯浮柵層積累的電荷利用壓力-雙電層離子流或壓力-遂穿電子流的非線性關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)非線性的力敏突觸記憶過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了感-存-算功能在突觸器件界面的高度集成；

44、2.通過(guò)碳基疊層共型突觸前膜呈多個(gè)陣列分布的倒金字塔結(jié)構(gòu)，通過(guò)增大可壓縮性以及應(yīng)力集中，以實(shí)現(xiàn)兩電極之間距離在低壓力下的顯著性變化，從而產(chǎn)生較大的電信號(hào)變化，顯著提高壓力傳感器的靈敏度。而遞質(zhì)層和溝道層之間形成微結(jié)構(gòu)分離式界面，且能夠提升改性石墨烯浮柵層中電荷的非易失性，進(jìn)一步強(qiáng)化這個(gè)記憶過(guò)程。

45、3.通過(guò)將人工突觸電子學(xué)與異質(zhì)結(jié)技術(shù)相結(jié)合制備得到突觸器件，而突觸器件整體結(jié)構(gòu)采用分離式設(shè)計(jì)，并合理運(yùn)用多種碳基材料集成，基于碳基場(chǎng)效應(yīng)在壓力傳感領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)感存算功能在突觸界面的高度集成，不僅實(shí)現(xiàn)了力-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，還需有神經(jīng)元的記憶、學(xué)習(xí)和訓(xùn)練等功能，模擬由神經(jīng)元和突觸組成的生物神經(jīng)系統(tǒng)，使得突觸器件具有并行性、低功耗、容錯(cuò)性、自學(xué)習(xí)和魯棒性等特點(diǎn)，有潛力克服傳統(tǒng)的馮·諾依曼瓶頸，創(chuàng)造一種新的范式來(lái)處理模式識(shí)別、圖像分類、決策和聯(lián)想學(xué)習(xí)等復(fù)雜問題。