具有多端結構的人造突觸器件及其製法和應用的製作方法

2023-05-21 05:24:27 4

本發明涉及信息器件技術領域，具體涉及一種模仿生物神經突觸功能的具有多端結構的人造突觸器件及其製法和應用。

背景技術：

人工神經網絡，是20世紀80年代以來人工智慧領域興起的研究熱點。它從信息處理角度對人腦神經元網絡進行抽象，建立某種簡單模型，按不同的連接方式組成不同的網絡。近年來，人工神經網絡的研究工作不斷深入，已經取得了很大的進展，其在模式識別、智慧機器人、自動控制、預測估計、生物、醫學、經濟等領域已成功地解決了許多現代計算機難以解決的實際問題，表現出了良好的智能特性。

人腦中有約1011個神經元，每個神經元又與其它上萬個神經元進行連接，從而組成了約1015個神經連接節點。突觸結構是神經元間在功能上發生聯繫的部位，也是信息傳遞的關鍵部位，是人腦學習和記憶的基本單元，它能夠使神經元衝動信號從一個神經元傳遞至另一個神經元。突觸權重可以用來描述兩個神經元之間聯繫的強度和幅度；突觸塑性則是神經元間突觸權重可調節的特性，是突觸的記憶與學習功能的基礎。得益於人腦中超大量的並行突觸計算及突觸塑性，人腦的計算模式非常可靠，並有極強的糾誤能力。近年來，人們提出了神經形態計算，它具有低功耗、高效率、高容錯率等優點。在生物仿生電子學領域，對人腦突觸計算及神經信息處理模式的模仿，是實現人工神經形態計算的關鍵之一，研製具有生物突觸功能的電子器件對低功耗人造神經網絡和神經形態計算具有十分重要的現實意義。

目前開發的人造仿生突觸器件主要是基於兩端阻變器件，最具代表性的是憶阻器件，它是一類具有特殊記憶功能的兩端無源器件，其阻值會隨著施加在器件上的電壓而發生變化，而當停止施加電壓後，器件的阻值狀態將會保持，這種特性類似於神經突觸傳輸特性的非線性電學性質。近年來，人們巧妙地利用憶阻器獨特的電阻記憶特性實現了其在人造仿生突觸電子學中的應用，在這 類器件上實現了一系列生物突觸響應功能。然而值得指出的是，基於阻變器件的仿生突觸只有兩個電極，分別作為突觸前端和後端，輸入操作和讀出操作無法同步進行，而且單個突觸器件無法實現多端信號的輸入。

綜上所述，本領域迫切需要開發能夠滿足神經形態計算和類腦智能領域應用需要的人造突觸器件及其製備方法。

技術實現要素：

本發明的目的就是提供一種具有多端結構的人造突觸器件及其製法和應用。

在本發明的第一個方面，提供了一種具有多端結構的人造突觸器件，包含：

一襯底；

位於所述襯底上的n個「柵介質底層-浮柵電極」基本單元，所述基本單元依次疊加，每一個所述「柵介質底層-浮柵電極」基本單元包含柵介質底層和沉積在其上的浮柵電極層，其中，所述柵介質底層為無機離子導體電解質，所述浮柵電極層為金屬顆粒層，其中n為≥1的整數；

位於所述n個「柵介質底層-浮柵電極」基本單元中最上層的浮柵電極層上方的柵介質頂層，所述的柵介質頂層為無機離子導體電解質；

位於所述柵介質頂層上的半導體溝道層，所述的半導體溝道層作為突觸後端；

位於所述半導體溝道層上的源電極和漏電極；以及

位於所述柵介質頂層上的m個多柵電極，其中m為≥2的整數，所述多柵電極作為突觸前端。

在另一優選例中，所述的襯底為導電的或不導電的。

在另一優選例中，所述的襯底具有基材層以及位於基材層上導電層。

在另一優選例中，所述的導電層位於所述基材層和所述「柵介質底層-浮柵電極」基本單元之間。

在另一優選例中，所述的半導體溝道層為圖形化的溝道層。

在另一優選例中，所述的源電極和漏電極包括圖形化金屬層或圖形化重摻雜半導體層。

在另一優選例中，所述的多柵電極包括圖形化金屬層或圖形化重摻雜半導體層。

在另一優選例中，所述源電極、漏電極和多柵電極獨立地選自下組的材料 形成：金、銀、銅、銦錫氧化物(ITO)或其組合。

在另一優選例中，所述的各柵介質底層和柵介質頂層分別採用相同或不同的無機離子導體電解質。

在另一優選例中，所述的各柵介質底層和柵介質頂層採用的無機離子導體電解質獨立地選自下組：疏鬆二氧化矽、疏鬆磷矽玻璃、疏鬆氧化鋁或其組合。

在另一優選例中，所述的各柵介質底層和柵介質頂層是疏鬆的二氧化矽層。

在另一優選例中，所述疏鬆的二氧化矽層、疏鬆的磷矽玻璃層、或疏鬆的氧化鋁層為沉積形成的，更佳地用等離子體增強化學氣相沉積法形成。

在另一優選例中，所述疏鬆的二氧化矽層、疏鬆的磷矽玻璃層和/或疏鬆的氧化鋁層具有選自下組的一個或多個特徵：

(a)比表面積為1m2/g～1000m2/g；

(b)孔隙尺寸為1nm～20nm。

在另一優選例中，所述的各柵介質底層的厚度為100-2000nm。

在另一優選例中，所述的柵介質頂層的厚度為20-2000nm。

在另一優選例中，所述的各浮柵電極層的厚度為1-50nm。

在另一優選例中，所述金屬顆粒包括貴金屬顆粒、賤金屬顆粒、合金金屬顆粒、或其組合。

在另一優選例中，所述金屬顆粒包括銀顆粒、銅顆粒、金顆粒或其組合。

在另一優選例中，所述柵介質底層和柵介質頂層是疏鬆的二氧化矽層或磷矽玻璃層。

在另一優選例中，所述疏鬆的二氧化矽層或磷矽玻璃層的質子電導率範圍為1×10-5～1×10-3S/cm。

在另一優選例中，所述柵介質底層和柵介質頂層是疏鬆的氧化鋁層。

在另一優選例中，所述疏鬆的氧化鋁層的質子電導率範圍為1×10-5～1×10-3S/cm。

在另一優選例中，所述金屬顆粒的直徑為1納米～20納米。

在另一優選例中，所述半導體溝道層的材料為鋅基半導體氧化物薄膜。較佳地，是銦鎵鋅複合氧化物(IGZO)薄膜、銦鋅複合氧化物(IZO)薄膜、或氧化鋅(ZnO)薄膜。

在另一優選例中，n為1-200，較佳地2-100，更佳地3-10。

在另一優選例中，m為≥2的整數。

在本發明的第二個方面，提供了一種具有多端結構的人造突觸器件的製備方法，包含步驟：

1)提供一襯底；

2)在所述襯底上沉積無機離子導體電解質形成柵介質底層，並在所述柵介質底層上沉積金屬顆粒形成浮柵電極層，從而形成「柵介質底層-浮柵電極」基本單元；

3)在上一步驟形成的浮柵電極層上，重複以下步驟n-1次：沉積無機離子導體電解質作為柵介質底層，並在所述柵介質底層上沉積金屬顆粒形成浮柵電極層，從而形成n-1個疊加在一起的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元，其中，n為≥1的整數；

4)在最上層的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元的浮柵電極層上，沉積無機離子導體電解質作為柵介質頂層；

5)在所述柵介質頂層上形成圖形化的半導體溝道層，並在所述半導體溝道層上形成圖形化的金屬層或圖形化的重摻雜半導體層，作為源電極和漏電極，其中所述半導體溝道層作為突觸後端；以及在所述柵介質頂層上形成m個圖形化金屬層或圖形化重摻雜半導體層作為多柵電極，其中m為≥2的整數，並且所述多柵電極作為突觸前端，從而形成所述具有多端結構的人造突觸器件。

在另一優選例中，所述的襯底為導電的或不導電的。

在另一優選例中，所述的襯底為導電襯底，其含有基材層和導電層。

在另一優選例中，n為1-200層，較佳地2-100層，更佳地3-10層。

在另一優選例中，m為≥2的整數。

在另一優選例中，所述的各柵介質底層和柵介質頂層分別採用相同或不同的無機離子導體電解質。

在另一優選例中，所述金屬顆粒包括貴金屬顆粒、賤金屬顆粒、合金金屬顆粒、或其組合。

在另一優選例中，所述金屬顆粒包括銀顆粒、銅顆粒、金顆粒或其組合。

在另一優選例中，在步驟2)和/或步驟4)中，還進一步包含步驟：通過等離子增強化學氣相沉積技術沉積所述無機離子導體電解質，採用矽烷或含磷烷，和氧氣作為反應源，同時通入Ar氣，沉積疏鬆二氧化矽層或磷矽玻璃層；和/或

沉積過程中不對所述二氧化矽層或磷矽玻璃層進行加熱，從而獲得疏鬆的二氧化矽層或磷矽玻璃層，作為所述柵介質底層和柵介質頂層。

在另一優選例中，在步驟2)和4)中，還進一步包含步驟：通過等離子增強化學氣相沉積技術沉積所述無機離子導體電解質，採用三甲基鋁和氧氣作為反應源，所述三甲基鋁通過Ar氣作為載氣帶入反應腔，沉積疏鬆氧化鋁層，並且，

沉積過程中不對所述氧化鋁層進行加熱，從而獲得疏鬆的氧化鋁層，作為所述柵介質底層和柵介質頂層。

在另一優選例中，所述疏鬆的氧化鋁層的質子電導率範圍為1×10-5～1×10-3S/cm。

在另一優選例中，在所述步驟2)中，還包含通過濺射技術在「柵介質底層-浮柵電極」基本單元的柵介質底層上沉積金屬層，並採用原位加熱處理獲得金屬顆粒層的步驟。

在另一優選例中，所述金屬顆粒的直徑為1納米～20納米。

在另一優選例中，在所述步驟5)中，通過濺射技術在所述柵介質頂層上沉積所述半導體溝道層。

在另一優選例中，所述半導體溝道層的材料為鋅基半導體氧化物薄膜。較佳地，是銦鎵鋅複合氧化物(IGZO)薄膜、銦鋅複合氧化物(IZO)薄膜、或氧化鋅(ZnO)薄膜。

在本發明的第三個方面，提供了一種電子產品，該電子產品含有本發明第一方面所述具有多端結構的人造突觸器件。

在另一優選例中，所述電子產品是數據處理器、可攜式電子產品或神經形態計算系統。

應理解，在本發明範圍內中，本發明的上述各技術特徵和在下文(如實施例)中具體描述的各技術特徵之間都可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。限於篇幅，在此不再一一累述。

附圖說明

圖1示出了本發明一種具有多端結構的人造突觸器件的結構示意圖。

圖2示出了本發明另一種具有多端結構的人造突觸器件的結構示意圖。

圖3示出了本發明一個實例中沉積半導體溝道層的形成示意圖。

圖4示出了本發明另一實例中沉積源電極、漏電極以及多柵電極的形成示意圖。

圖5示出了本發明具有多端結構的人造突觸器件的工作原理示意圖。

圖6示出了本發明具有多端結構的人造突觸器件的測試方法。

在各附圖中，1：襯底；2：柵介質底層；3：浮柵電極層；4：半導體溝道層；5：漏電極；6：源電極；7：多柵電極；8：導電層；9：「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9；10：柵介質頂層；11：基材層。

具體實施方式

本發明人經過廣泛而深入的研究，首次開發了一種結構新穎的具有多端結構的人造突觸器件，所述人造突觸器件採用多層結構並設有含金屬顆粒的浮柵電極層。本發明的人造突觸器件不但可有效地實現多端信號的輸入，並且具有能夠低功率驅動，能夠調控器件突觸響應特性，有利於突觸器件的高密度功能化集成等多個優點。此外，本發明人造突觸器件的製備方法簡便，製作成本低。在此基礎上完成了本發明。

具體地，在本發明中，採用離子導體電解質作為柵介質具有以下效果：降低工作能耗，實現低電壓驅動；採用含有金屬顆粒的浮柵電極，能夠在浮柵電極層中存儲一定量的電荷，使突觸器件具有學習和記憶功能。

進一步地，在由無機離子導體電解質沉積而成的柵介質底層上形成浮柵電極層，由此得到的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元及其多個基本單元疊加的結構，進一步強化了上述效果。

進一步地，通過在柵介質頂層上設置多個柵電極，具有以下效果：實現了輸入操作和讀出操作的同步進行；實現了通過位置權重對多個輸入信號的調節；實現了對多個時空相關的輸入信號的疊加，且輸出信號能夠反映這種時空關係；採用其中一個柵極作為調節端，在其它柵極加載輸入信號，產生的突觸響應特性、突觸整合特性及樹突響應特性受調節端信號的控制。

術語

如本文所用，術語「本發明具有多端結構的人造突觸器件」、「本發明的人造突觸器件」、或「本發明的突觸器件」可互換使用，指本發明第一方面所述的具有多端結構的人造突觸器件。

如本文所用，術語「柵介質底層-浮柵電極」基本單元，指由無機離子導體電解質層(作為柵介質底層)和位於該柵介質底層上的金屬顆粒層(作為浮柵 電極)所構成的「柵介質底層-浮柵電極」二元結構。

如本文所用，術語「多柵電極」指形成在無機離子導體電解質層(作為柵介質頂層)上的兩個及以上的柵電極結構。

如本文所用，術語「疏鬆薄膜(層)」、「疏鬆薄層」、「介質層」或「柵介質層」可互換使用，指無機離子導體電解質形成的薄層。該術語包括作為柵介質底層和/或柵介質頂層等各個柵介質層。

多端結構的人造突觸器件

本發明提供了一種多端結構的人造突觸器件，該人造突觸器件包含n個「柵介質底層-浮柵電極」基本單元的疊加結構，以及m個多柵電極形成的多端結構。本發明的人造突觸器件不但能夠同步地進行輸入操作和讀出操作，能夠實現多端信號的輸入，並且能夠低功率驅動，並且能夠調控器件突觸響應特性，並且有利於突觸器件的高密度功能化集成。

參見圖1，本發明一種具有多端結構的人造突觸器件包含：

襯底1；

位於襯底1上的n個「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9，如圖中所示，所述n個基本單元9依次疊加，每一個「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9包含柵介質底層2和沉積在其上的浮柵電極層3，其中，柵介質底層2為無機離子導體電解質，浮柵電極層3為金屬顆粒層，其中n為≥1的整數；

在n個「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9中最上層的浮柵電極層3的上方，還含有柵介質頂層10，柵介質頂層10為無機離子導體電解質；

在柵介質頂層10上，還形成有半導體溝道層4，半導體溝道層4作為突觸後端；

在半導體溝道層4上，還形成有源電極6和漏電極5；並且，在柵介質頂層10上，還形成有m個多柵電極7，其中m為≥2的整數，多柵電極7作為突觸前端。

在本發明中，襯底材料沒有限制，可採用常規的襯底，代表性的例子包括(但並不限於)：單晶矽襯底、玻璃襯底、塑料襯底、或其組合。

在本發明中，襯底1可以為導電的或不導電的。

參見圖2，在本發明的另一實施例中，襯底1具有基材層11以及位於基材層11上的導電層8。

在本發明的該實施例中，導電層8位於基材層11和「柵介質底層-浮柵電極」基 本單元9之間。

在本發明中，導電層的材質沒有特別限制，優選的例子包括(但並不限於)：銦錫氧化物(ITO)。

在本發明中，半導體溝道層4為圖形化的溝道層。

在本發明中，源電極6和漏電極5包括圖形化金屬層或圖形化重摻雜半導體層。

在本發明中，多柵電極7包括圖形化金屬層或圖形化重摻雜半導體層。

在本發明中，源電極6、漏電極5和多柵電極7獨立地選自下組的材料形成：金、銀、銅、銦錫氧化物(ITO)或其組合。

在本發明中，各柵介質底層2和柵介質頂層10分別採用相同或不同的無機離子導體電解質。

在本發明中，各柵介質底層2和柵介質頂層10採用的無機離子導體電解質獨立地選自下組：疏鬆二氧化矽、疏鬆磷矽玻璃、疏鬆氧化鋁或其組合。優選地，各柵介質底層2和柵介質頂層10是疏鬆的二氧化矽層。

在本發明的另一優選例中，疏鬆的二氧化矽層、疏鬆的磷矽玻璃層和/或疏鬆的氧化鋁層具有選自下組的一個或多個特徵：

(a)比表面積為1m2/g～1000m2/g；

(b)空隙尺寸為1nm～20nm。

在本發明中，所述的疏鬆薄膜具有室溫質子滲透作用，具有室溫質子導電特性，為室溫質子導體。工作時，薄膜的孔隙結構吸收空氣中的水分，在外電場的作用下，水分子分解產生質子(H+)，這些質子沿外電場方向運動，孔隙結構及其吸附在孔隙結構上的H2O分子或OH-鍵提供質子遷移的通道，這些質子在疏鬆薄膜/電極界面處積累，從而在電極一側誘導產生大量的電子，由於這一離子調控作用，採用該疏鬆薄膜作為柵介質，製作的電晶體的工作電壓極低(<2V)。

在本發明的另一優選例中，各柵介質底層2的厚度為100-2000nm。

在本發明的另一優選例中，柵介質頂層10的厚度為20-2000nm。

在本發明的另一優選例中，各浮柵電極層3的厚度為1-50nm。

在本發明的另一優選例中，金屬顆粒包括貴金屬顆粒、賤金屬顆粒、合金金屬顆粒、或其組合。

在本發明的另一優選例中，金屬顆粒包括銀顆粒、銅顆粒、金顆粒或其組合。

在本發明的另一優選例中，柵介質底層2和柵介質頂層10是疏鬆的二氧化矽層或磷矽玻璃層。

在本發明的另一優選例中，疏鬆的二氧化矽層或磷矽玻璃層的質子電導率範圍為1×10-5～1×10-3S/cm。

在本發明的另一優選例中，柵介質底層2和柵介質頂層10是疏鬆的氧化鋁層。

在本發明的另一優選例中，疏鬆的氧化鋁層的質子電導率範圍為1×10-5～1×10-3S/cm。

在本發明的另一優選例中，金屬顆粒的直徑為1納米～20納米。

在本發明的另一優選例中，半導體溝道層4的材料可採用半導體，代表性例子包括鋅基半導體氧化物薄膜。較佳地，是銦鎵鋅複合氧化物(IGZO)薄膜、銦鋅複合氧化物(IZO)薄膜、或氧化鋅(ZnO)薄膜。

在本發明的另一優選例中，n為1-200，較佳地2-100，更佳地3-10。

在本發明的另一優選例中，m為≥2的整數。

工作過程和原理

參見圖5。本發明中，可以將一系列柵極作為突觸前端，將溝道作為突觸後端，當在突觸前端施加電壓時，由於離子導體電解質的界面離子調控作用，可以實現對溝道導電性的有效調控，同時由於器件浮柵結構的存在，器件具有電荷存儲效應，從而保證了器件突觸功能的實現。

此外，通過在柵極上施加一系列脈衝電壓或脈衝電壓序列，可以測試一系列突觸響應。由於柵極與溝道間間距的變化，柵極對溝道導電性能的調控能力有所差異，從而可以在該突觸器件上引入一個位置權重，實現對器件突觸響應特性的調控，這在兩端阻變突觸器件中無法實現。同時，由於多個柵電極的存在，各個柵電極均可以對溝道導電特性進行調控，當在各個柵電極上施加一定的時空相關電壓脈衝，突觸後端(溝道)上檢測到的突觸響應可以反映這種時空關係，並實現一系列樹突響應功能。

為了便於理解，本發明人進一步詳細描述人造突觸器件的工作過程和原理。應理解，本發明的保護範圍並不受所述工作過程和原理的限制。

在本發明的人造突觸器件中，突觸前端個數可調，每個突觸前端均可施加脈衝電壓或脈衝電壓序列，每個突觸前端上施加的脈衝電壓為同步或不同步。突觸前端上施加的脈衝電壓可以為正或負，脈衝電壓的脈衝寬度為10微秒～1秒。

多個突觸前端上選擇個別突觸前端施加恆定偏壓或脈衝偏壓作為調製端。突觸後端上施加恆定源-漏電壓測試突觸響應電流。

相比於兩端的阻變器件，本發明的人造突觸器件可以實現兩端阻變器件無法實現的功能。可以進行輸入操作和讀出操作的同步進行；當在發明的器件上設置2個或2個以上柵電極時，該突觸器件可以對2個或2個以上輸入信號進行時空信息的疊加，而處理得到的疊加信號能夠反映這些時空信息的時空關係；當設置2個柵電極時，可以把其中一個柵電極作為調控端而將另一個柵電極作為突觸前端，則產生的突觸響應特性能夠由調控端進行調控；當設置3個或3個以上柵電極時，可以把其中一個柵電極作為調控端而將其它柵電極作為突觸前端，則該突觸器件對2個或2個以上突觸響應信號進行處理時，處理結果受調控端的控制。設置多個柵電極時，各個柵電極與溝道間間距的不同將導致各個柵電極對溝道導電性能的差異，從而可以在該突觸器件上引入一個位置權重。

生物神經系統中的神經元可以與其他1000～10000個神經元相連，神經元可以對來自1000～10000個神經元的突觸信號進行時空信息疊加，本發明提出的具有多端結構的突觸器件可以設置1～10000個柵電極，並且器件可以對來自各個柵電極的信號進行時空信息疊加，這一功能類似於生物神經元的工作模式，這也是兩端阻變器件無法實現的功能。

製備方法

本發明還提供了一種製備本發明人造突觸器件的方法。

典型地，參見圖3和圖4，本發明的製備方法包含以下步驟：

1)提供一襯底1；

2)在襯底1上沉積無機離子導體電解質形成柵介質底層2，並在柵介質底層2上沉積金屬顆粒形成浮柵電極層3，從而形成「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9；

3)在上一步驟形成的浮柵電極層3上，重複以下步驟n-1次：沉積無機離子導體電解質作為柵介質底層2，並在柵介質底層2上沉積金屬顆粒形成浮柵電極層3， 從而形成n-1個疊加在一起的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9，其中，n為≥1的整數；

4)在最上層的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9的浮柵電極層3上，沉積無機離子導體電解質作為柵介質頂層10；

5)在柵介質頂層10上形成圖形化的半導體溝道層4，並在半導體溝道層4上形成圖形化的金屬層或圖形化的重摻雜半導體層，作為源電極6和漏電極5，其中半導體溝道層4作為突觸後端；以及在柵介質頂層10上形成m個圖形化金屬層或圖形化重摻雜半導體層作為多柵電極7，其中m為≥2的整數，並且多柵電極7作為突觸前端，從而形成具有多端結構的人造突觸器件。

在本發明的另一優選例中，在步驟2)和/或步驟4)中，還進一步包含步驟：通過等離子增強化學氣相沉積技術沉積無機離子導體電解質，採用矽烷或含磷烷，和氧氣作為反應源，同時通入Ar氣，沉積疏鬆二氧化矽層或磷矽玻璃層。

在本發明的另一優選例中，在沉積過程中，不對二氧化矽層或磷矽玻璃層進行加熱，從而獲得疏鬆的二氧化矽層或磷矽玻璃層，作為柵介質底層2和柵介質頂層10。

在本發明的另一優選例中，在步驟2)和4)中，還進一步包含步驟：通過等離子增強化學氣相沉積技術沉積無機離子導體電解質，採用三甲基鋁和氧氣作為反應源，三甲基鋁通過Ar氣作為載氣帶入反應腔，沉積疏鬆氧化鋁層。

在本發明的另一優選例中，沉積過程中不對氧化鋁層進行加熱，從而獲得疏鬆的氧化鋁層，作為柵介質底層2和柵介質頂層10。

在本發明的另一優選例中，疏鬆的氧化鋁層的質子電導率範圍為1×10-5～1×10-3S/cm。

在本發明的另一優選例中，在步驟2)中，還包含通過濺射技術在「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9的柵介質底層2上沉積金屬層，並採用原位加熱處理獲得金屬顆粒層的步驟。

在本發明的另一優選例中，在步驟5)中，通過濺射技術在柵介質頂層10上沉積半導體溝道層4。

應用和產品

本發明的人造突觸器件可用於可攜式電子產品、數據處理器、神經形態計算系統等場合。

本發明的突觸器件，當其具有2個柵電極時，可以將其中一個柵電極作為調控端，將另一個柵電極作為突觸前端。當具有3個或3個以上柵電極時，可以將其中一個柵電極作為調控端，將其它柵電極作為突觸前端，該突觸器件對2個或2個以上突觸響應信號進行處理時，處理結果受調控端的控制。

典型地，通過設置多個柵電極，各個柵電極與溝道間間距的不同將導致各個柵電極對溝道導電性能調控的差異，從而可以在該突觸器件上引入一個位置權重。因此多柵電極的突觸器件可以對2個或2個以上輸入信號進行時空信息的疊加，處理得到的疊加信號能夠反映這些時空信息的時空關係。

本發明還提供了一種電子產品，該電子產品含有本發明人造突觸器件。

在本發明中，所述的電子產品可以是各自不同的電子產品，代表性例子包括可攜式電子產品、數據處理器、神經形態計算系統。由於本發明的具有多柵結構的人造突觸具有獨特離子調控特性和獨特的電荷存儲特性，因此該器件可以實現一系列突觸響應功能，因而在新一代神經形態計算系統中有巨大的潛在應用價值。

本發明的主要優點包括：

1)採用離子導體電解質作為柵介質，能夠降低突觸器件的工作能耗，實現低電壓驅動。同時，在柵介質層中嵌入金屬顆粒層作為浮柵電極，能夠存儲一定量的電荷，使突觸器件具有學習和記憶功能。

2)採用多端結構，不僅實現了輸入操作和讀出操作的同步進行，而且實現了多端信號的輸入。可通過將各個柵電極作為輸入端實現多個輸入信號的疊加，實現複雜突觸響應特性和樹突特性。相比之下，現有阻變突觸器件僅有兩個電極的結構，既無法同步進行輸入操作和讀出操作，也無法實現多端信號的輸入。進一步地，多端結構中的各個柵電極與溝道間間距的不同將導致各個柵電極對溝道導電性能調控的差異，從而可以在該突觸器件上引入一個位置權重，實現對器件突觸響應特性的調控。具體說，可以將一系列柵極作為突觸前端，將溝道作為突觸後端，當在突觸前端施加電壓時，由於離子導體電解質的 界面離子調控作用，可以實現對溝道導電性的有效調控。當在各個柵電極上施加一定的時空相關電壓脈衝，突觸後端(溝道)上檢測到的突觸響應可以反映這種時空關係，並實現一系列樹突響應功能。並且，多端結構中的各個柵電極可以作為突觸器件集成時的接口或與其他器件連接的端點，有利於突觸器件的高密度功能化集成。

3)製備方法簡便，製作成本低。

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。下列實施例中未註明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件或按照製造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則百分比和份數是重量百分比和重量份數。

實施例1

具有多端結構的人造突觸器件No.1的製備

本實施例的人造突觸器件No.1的結構圖1所示。

襯底1為玻璃襯底。無機離子導體電解質是疏鬆的二氧化矽，柵介質底層2和柵介質頂層10的疏鬆的二氧化矽層的厚度均為400納米。金屬顆粒為銀顆粒，且顆粒大小為～20納米。半導體溝道層4的材料為銦鎵鋅複合氧化物(IGZO)，半導體溝道層4的厚度為50納米。源電極6、漏電極5和多柵電極7是銀。

本實施例的人造突觸器件的製作方法包括如下步驟：

步驟1：玻璃襯底1採用酒精超聲清洗；

步驟2：把清洗過的玻璃襯底1放入等離子增強化學氣相沉積(PECVD)反應腔內，分別通入矽烷和氧氣作為反應氣，同時通入Ar氣，沉積疏鬆二氧化矽2，二氧化矽層厚度為400納米。沉積過程中不對樣品進行加熱，從而獲得疏鬆的二氧化矽，作為柵介質底層2。

步驟3：將沉積有疏鬆二氧化矽的玻璃襯底1放入濺射真空腔，通過濺射方法在疏鬆二氧化矽上沉積一層銀(Ag)薄膜，膜厚為5～10納米，將樣品進行原位加熱處理，加熱溫度為100℃，從而獲得一層Ag顆粒層3，顆粒大小為～20納米，即浮柵電極層3，從而與柵介質底層2構成「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9。

步驟4：最後重複步驟2共1次，從而通過疏鬆的二氧化矽將Ag顆粒層3覆蓋， 相應的疏鬆二氧化矽作為柵介質頂層10。

步驟5：如圖3所示，採用第一套掩膜板在柵介質頂層10上採用濺射技術沉積一層IGZO薄膜作為半導體溝道層4，半導體溝道層4的厚度為50納米。

步驟6：如圖4所示，採用第二套掩膜板，採用磁控濺射技術繼續沉積Ag薄膜，在IGZO半導體溝道層4上沉積Ag源電極6和Ag漏電極5，而且同步獲得一系列圖案化的Ag薄膜，作為2個多柵電極7。

步驟7：將半導體溝道層4作為突觸後端，多柵電極7作為突觸前端，得到具有多柵結構的人造突觸器件No.1。

實施例2

具有多端結構的人造突觸器件No.2的製備

本實施例的人造突觸器件No.2的結構圖1所示。

襯底1為玻璃襯底。無機離子導體電解質是疏鬆二氧化矽，柵介質底層2的疏鬆二氧化矽層的厚度為500納米，柵介質頂層10的疏鬆二氧化矽層的厚度為50納米。金屬顆粒為銀顆粒，且顆粒大小為～20納米。半導體溝道層4的材料為銦鋅複合氧化物(IZO)，半導體溝道層4的厚度為30納米。源電極6、漏電極5和多柵電極7是銀。

本實施例的人造突觸器件的製作方法包括如下步驟：

步驟1：玻璃襯底1採用酒精超聲清洗；

步驟2：把清洗過的玻璃襯底1放入等離子增強化學氣相沉積(PECVD)反應腔內，分別通入矽烷和氧氣作為反應氣，同時通入Ar氣，沉積疏鬆二氧化矽2，二氧化矽層厚度為500納米。沉積過程中不對樣品進行加熱，從而獲得疏鬆的二氧化矽，作為柵介質底層2。

步驟3：將沉積有疏鬆二氧化矽的玻璃襯底1放入濺射真空腔，通過濺射方法在疏鬆二氧化矽上沉積一層銀(Ag)薄膜，膜厚為5～10納米，將樣品進行原位加熱處理，加熱溫度為100℃，從而獲得一層Ag顆粒層3，顆粒大小為～20納米，即浮柵電極層3，從而與柵介質底層2構成「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9。

步驟4：重複步驟2和步驟3共2次，構成3層疊加在一起的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9，最後重複步驟2共1次，從而通過疏鬆的二氧化矽將Ag顆粒層，即最上層的浮柵電極層3覆蓋，作為柵介質頂層10。其中，作為柵介質頂層10的疏鬆 二氧化矽層厚度為50納米。

步驟5：如圖3所示，採用第一套掩膜板在疏鬆二氧化矽10上採用濺射技術沉積一層IZO薄膜作為半導體溝道層4，半導體溝道層4的厚度為30納米。

步驟6：如圖4所示，採用第二套掩膜板，採用磁控濺射技術繼續沉積Ag薄膜，在IGZO半導體溝道層4上沉積Ag源電極6和Ag漏電極5，而且同步獲得一系列圖案化的Ag薄膜作為4個多柵電極7。

步驟7：將半導體溝道層4作為突觸後端，多柵電極7作為突觸前端，得到具有多柵結構的人造突觸器件No.2。

實施例3

具有多端結構的人造突觸器件No.3的製備

本實施例的人造突觸器件No.3的結構圖2所示。

襯底1為玻璃襯底，導電層8為銦錫氧化物(ITO)，無機離子導體電解質是疏鬆氧化鋁，柵介質底層2和柵介質頂層10的疏鬆的氧化鋁層的厚度為200納米。金屬顆粒為金顆粒，且顆粒大小為～10納米。半導體溝道層4的材料為銦鋅複合氧化物(IZO)，半導體溝道層4的厚度為25納米。源電極6、漏電極5和多柵電極7是銅，且厚度為100納米。

本實施例的人造突觸器件的製作方法包括如下步驟：

步驟1：在玻璃襯底1採用酒精超聲清洗；然後在玻璃襯底1表面沉積ITO薄膜層，作為導電層8。

步驟2：把沉積有導電層8的玻璃襯底1放入PECVD反應腔內，分別通入三甲基鋁和氧氣作為反應源，三甲基鋁通過Ar氣作為載氣帶入反應腔，沉積疏鬆氧化鋁層2，氧化鋁層厚度為200納米。沉積過程中不對樣品進行加熱，從而獲得疏鬆的氧化鋁層，作為柵介質底層2。

步驟3：將沉積有氧化鋁層的玻璃襯底1放入濺射真空腔，通過濺射方法在氧化鋁層上沉積一層金(Au)薄膜，膜厚為5納米，作為優選，將樣品進行原位加熱處理，加熱溫度為150℃，從而獲得一層Au顆粒層3，顆粒大小為～10納米，即浮柵電極層3，從而與柵介質底層2構成「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9。

步驟4：重複步驟2和步驟3共5次，獲得多層氧化鋁層和Au顆粒層，從而構成6 層疊加在一起的「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9，最後重複步驟2共1次，從而通過疏鬆的氧化鋁層將Au顆粒層，即最上層的浮柵電極層3覆蓋，作為柵介質頂層10。

步驟5：採用濺射技術在氧化鋁層表面上沉積一層IZO薄膜，薄膜厚度為25納米。採用光刻工藝，製備出圖形化IZO半導體溝道層4。

步驟6：採用磁控濺射技術繼續沉積Cu薄膜，薄膜厚度為100納米，進一步採用光刻工藝，在IZO半導體溝道層4上製備出Cu源電極6和Cu漏電極5，同時在氧化鋁層表面製備圖形化Cu電極，作為20個多柵電極7。

步驟7：將半導體溝道層4作為突觸後端，多柵電極7作為突觸前端，得到具有多柵結構的人造突觸器件No.3。

實施例4

具有多端結構的人造突觸器件No.4的製備

本實施例的人造突觸器件No.4的結構圖1所示。

襯底1為玻璃襯底。無機離子導體電解質是疏鬆磷矽玻璃，作為柵介質底層2的疏鬆磷矽玻璃層的厚度為800納米，作為柵介質頂層10的疏鬆磷矽玻璃層的厚度為80納米。金屬顆粒為銅顆粒，且顆粒大小為～15納米。半導體溝道層4的材料為氧化鋅(ZnO)，半導體溝道層4的厚度為40納米。源電極6、漏電極5和多柵電極7是銦錫氧化物(ITO)，且厚度為200納米。

本實施例的人造突觸器件的製作方法包括如下步驟：

步驟1：玻璃襯底1採用酒精超聲清洗；

步驟2：把清洗過的玻璃襯底1放入等離子增強化學氣相沉積(PECVD)反應腔內，分別通入矽烷(含15％磷烷)和氧氣作為反應氣，同時通入Ar氣，沉積疏鬆磷矽玻璃2，磷矽玻璃層厚度為800納米。沉積過程中不對樣品進行加熱，從而獲得疏鬆的磷矽玻璃，作為柵介質底層2。

步驟3：將沉積有疏鬆磷矽玻璃的玻璃襯底1放入濺射真空腔，通過濺射方法在疏鬆磷矽玻璃上沉積一層Cu薄膜，膜厚為5～8納米，將樣品進行原位加熱處理，加熱溫度為120℃，從而獲得一層Cu顆粒層3，顆粒大小為～15納米，即浮柵電極層3，從而與柵介質底層2構成「柵介質底層-浮柵電極」基本單元9

步驟4：重複步驟2共1次，沉積疏鬆磷矽玻璃層將Cu顆粒層3覆蓋，作為柵介質頂層10，柵介質頂層10的厚度為80納米。

步驟5：如圖3所示，採用第一套掩膜板在疏鬆磷矽玻璃2上採用濺射技術沉積一層ZnO薄膜作為半導體溝道層4，半導體溝道層4的厚度為40納米。

步驟6：如圖4所示，採用第二套掩膜板，採用磁控濺射技術繼續沉積ITO薄膜，在ZnO半導體溝道層4上沉積ITO源電極6和ITO漏電極5，而且同步獲得一系列圖案化的ITO薄膜作為8個多柵電極7。

步驟7：將半導體溝道層4作為突觸後端，多柵電極7作為突觸前端，得到具有多柵結構的人造突觸器件No.4。

實施例5

採用實施例2中製作的人造突觸器件No.2為例，說明突觸響應的測試方法，人造突觸結構如圖6-A所示。

方法一：在源電極6與漏電極5之間施加固定偏壓0.3V，則可以測試在溝道4上流過的電流。在柵電極7a(即突觸前端a)上施加1個脈衝電壓作為突觸前刺激(脈衝高度為0.5V，脈衝寬度為10ms)，則在溝道4上將檢測到1個瞬態的溝道電流響應，即檢測到後突觸電流響應(如圖6-B)。進一步將2個連續的突觸前刺激施加到突觸前端7a(脈衝間距為50ms)，則在溝道4上將檢測到2個瞬態的溝道電流響應，即檢測到2個後突觸電流響應(如圖6-C)，而且第2個後突觸電流高於第1個後突觸電流；進一步將連續的5個連續的突觸前刺激施加到突觸前端7a(脈衝間距為50ms)，則在溝道4上將檢測到5個連續的瞬態溝道電流響應(如圖6-D)，而且瞬態溝道電流持續增加。這些行為表現為突觸器件的塑性行為。

方法二：如圖6-E所示，在源電極6與漏電極5之間施加固定偏壓0.5V，在柵電極7a(即突觸前端a)上施加1個脈衝電壓作為突觸前刺激(脈衝高度為0.3V，脈衝寬度為10ms)，在溝道上將檢測到瞬態溝道電流經過一定時間後，將回到起始態；而當在柵電極7a(即突觸前端a)上施加1個高突觸前刺激後(脈衝高度為5V，脈衝寬度為10ms)，在溝道4上將檢測到瞬態溝道電流經過一定時間後，無法回到起始態。這一行為表現為突觸器件的長程記憶行為。

方法三：如圖6-F所示，在源電極6與漏電極5之間施加固定偏壓0.4V，將柵電 極7b作為調製端，調製端分別施加偏壓0.8V、0.4V和-0.5V，在柵電極7a(即突觸前端a)上施加1個脈衝電壓作為突觸前刺激(脈衝高度為0.6V，脈衝寬度為10ms)，在溝道4上檢測到的後突觸電流響應與調製端電壓有關，調製端施加的正向偏壓愈大，後突觸電流愈大，反之愈小。

在本發明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發明的上述講授內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。