一種基於SiO2神經仿生層的神經仿生器件及其製備方法與流程

2023-05-09 05:02:41 1

本發明涉及微電子器件技術領域，具體地說是一種基於SiO2神經仿生層的神經仿生器件及其製備方法。

背景技術：

在信息技術領域，減小存儲單元的面積是發展當前數據存儲技術的一個主要驅動力。但是，在未來15 到20 年之內，當前的存儲技術將達到其物理極限，難以再進一步發展。為了促使存儲技術的持續發展，需要找到一種新的發展方向。其一種可能的發展方向是從生物學仿生而來的認知存儲，它不像當前的存儲器只有數據存儲這種單一功能，而是像人的記憶一樣豐富多彩，能夠實現數據存儲、信息處理以及最重要的認知功能，如可適應、學習、具有洞察力、新知識的構建等等。這種認知存儲的功能作為驅動力的數據存儲技術需要利用具有認知功能的器件搭建人工神經網絡，因此，開發認知存儲器這種具有認知功能的微電子器件，就是目前行業內研究的熱點。

在認知存儲器中，用作構建人工神經網絡的電子突觸器件，是最基本的一種認知存儲器。電子突觸器件如同神經突觸，是不同神經元之間的連接，具有用以表徵神經元之間連接強度的突觸權重，並且在不同的刺激下，突觸權重能進行相應的改變，從而實現學習和記憶的功能。然而，在神經網絡當中，神經突觸數目龐大，需要減小電子突觸器件的面積和功耗，才有可能構建具有一定規模、一定認知功能的神經網絡。近年來，人們通過大量實驗和測試，發現憶阻器這種新型的電子元器件具有類似優良的特性，其中憶阻器的記憶功能和可操控性和生物體神經突觸有很高的相似性。人類大腦中存在1011-1014個神經元，而連接這些神經元的突觸數量則高達1015。神經突觸由三部分組成：突觸前膜、突觸後膜以及兩膜間的窄縫——突觸間隙，其間距通常為20-40nm。在電信號刺激下，攜帶傳遞信息的神經遞質由突觸前神經元通過突觸間隙單向傳輸到突觸後神經元。因此，突觸前後膜類似於憶阻器的兩端金屬電極，而突觸間隙類似於憶阻器的介質層，其厚度約為數十納米。

突觸可塑性是生物體神經突觸的最基本特性，突觸會隨著神經元之間連接強度的強弱動態的刺激或抑制信號，使得信號保持連續變化。這就要求器件能夠在施加電信號作用下，實現電阻值的漸變。憶阻器能夠模擬神經突觸，最基本的依據是他們都有非線性電學性質，即利用憶阻器兩類電學性質（變化迥異的高、低兩種電阻狀態，來實現電阻緩變行為）應用於神經突觸的模擬中。但是，目前的仿生器件由於其神經仿生層材料和結構設計不合理導致器件在施加電壓時存在高低阻態之間轉換的連續性較差、連續性變化的電導性能差、器件的穩定性低的缺陷。

技術實現要素：

本發明的目的就是提供一種基於SiO2神經仿生層的神經仿生器件及其製備方法，以解決現有神經仿生器件存在施加電壓時存在高低阻態之間轉換連續性較差、器件穩定性差的問題。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種基於SiO2神經仿生層的神經仿生器件，包括Ag襯底、在所述Ag襯底上依次形成的神經仿生層和Ag電極層；所述神經仿生層從下而上依次包括：第一SiO2膜層、Ag膜中間層、第二SiO2膜層。

所述第一SiO2膜層、Ag膜中間層、第二SiO2膜層的厚度比為5:1:5；所述Ag膜中間層的厚度優選為2-6nm，所述Ag膜中間層的厚度更優選為2nm，即所述神經仿生層的厚度在20-25nm之間其實用性更好。

所述神經仿生層採用磁控濺射的方法製備而成。

所述Ag電極層的厚度為50-300nm；所述Ag電極層為均勻分布在所述神經仿生層上的若干直徑為80-200μm的圓形電極。

本發明還提供了一種基於SiO2神經仿生層的神經仿生器件的製備方法，包括以下步驟：

（a）將Ag襯底依次在去離子水、丙酮和酒精中分別用超聲波清洗，然後取出用 N2吹乾；

（b）將清洗好的Ag襯底固定到磁控濺射設備腔體的襯底臺上，並將腔體抽真空至1×10-4-4×10-4Pa；

（c）在腔體內的靶臺上放置SiO2靶材，直流靶臺上放置Ag靶材，向腔體內通入Ar和O2，調整接口閥使腔體內的壓強維持在1-6Pa，打開控制SiO2靶材起輝的射頻源，調整射頻源功率為100-200W，使SiO2靶材起輝，預濺射8-15min；

（d）預濺射完畢後，開始正式濺射，在Ag襯底上生長SiO2膜層，正式濺射時間為25-30min，得第一SiO2膜層；

（e）將SiO2靶材的射頻源關掉，並將腔體抽真空至1×10-4-4×10-4Pa，襯底加熱至400℃，打開控制Ag靶材的直流電源，調整射頻源功率為8-11W，使Ag靶材起輝，預濺射8-15min，開始正式濺射，在第一SiO2膜層上生長Ag膜層，正式濺射時間為4-8s，得Ag膜中間層；

（f）將Ag靶材的直流電源關掉，保持襯底溫度為400℃，打開放置SiO2靶材起輝的射頻源，調整直流源功率為130-170W，使SiO2靶材起輝，預濺射8-15min，開始正式濺射，在Ag膜中間層上生長SiO2膜層，正式濺射時間為25-35min，得第二SiO2膜層；

（g）在形成第二SiO2膜層後的Ag襯底上放置掩膜版，將磁控濺射設備腔體抽真空至1×10-4-4×10-4Pa；向腔體內通入流量為20-30sccm的Ar，調整接口閥使腔體內的壓強維持在1-6Pa，打開控制Ag靶材起輝的直流源，調整直流源功率為8-11W，使Ag靶材起輝，預濺射4-6min；開始正式濺射6-10min，在第二SiO2膜層上形成Ag電極層。

步驟（c）中所述Ar和O2向腔體的通入流量比為50-100sccm : 15-35sccm。

步驟（d）、（e）、（f）中控制第一SiO2膜層、Ag膜中間層和第二SiO2膜層的厚度比為5:1:5；所述Ag膜中間層的厚度優選為2-6nm；更優選為2nm。

步驟（g）中Ag電極層的厚度為50-300nm。

步驟（g）所述的掩膜版上均布有直徑為80-200μm的圓形孔。

步驟（g）所述Ag電極層所述Ag電極層為均勻分布在所述神經仿生層上的若干圓形電極。

本發明提供的神經仿生器件設計為Ag襯底、神經仿生層和Ag電極層，並將神經仿生層設計為特定材料及特定厚度比的第一SiO2膜層、Ag膜中間層和第二SiO2膜層；通過特定磁控濺射工藝處理，使Ag膜中間層部分擴散到第一SiO2膜層和第二SiO2膜層內，得到了一種高阻態與低阻態之間能發生緩慢的變化、有多個穩定的高低阻態且保持良好特性、可實現神經仿生要求的神經仿生器件。本發明所製備的器件其兩端分別作為兩個輸入端，分別為突觸前刺激和突觸後刺激，根據突觸前刺激和突觸後刺激的時間差而改變電阻，能夠模仿生物突觸的特性，在施加不同電脈衝的刺激下改變其電阻的阻值，其高、低阻態會發生緩慢變化，且範圍穩定；出現多個穩定阻態並具有良好的保持特性，在重複施加電脈衝刺激的情況下，能夠記住改變的狀態，高低阻轉化的重複性高，是一種性能更為穩定、應用前景更為廣闊的神經仿生器。

附圖說明

圖1是本發明所提供的神經仿生器件的結構示意圖。

圖2是本發明中用於製備神經仿生器件的磁控濺射設備的結構示意圖。

圖3是本發明實施例2所製備的神經仿生器件電流-電壓變化狀態圖。

圖4是本發明實施例2所製備的神經仿生器件兩端電壓隨源表電壓的變化圖。

圖5是本發明實施例2所製備的神經仿生器件的活動時序依賴突觸可塑性（STDP）功能圖。

具體實施方式

下面實施例用於進一步詳細說明本發明，但不以任何形式限制本發明。

實施例1

本發明所提供的神經仿器件，其結構如圖1所示，包括最底層的Ag襯底1、Ag襯底1上的神經仿生層2，神經仿生層2上的Ag電極層3。

其中神經仿生層2由三層膜層依次疊加構成，由下至上依次為第一SiO2膜層21、Ag膜中間層22、第二SiO2膜層23。第一SiO2膜層21、Ag膜中間層22、第二SiO2膜層23的厚度比為5:1:5；其Ag膜中間層22為2-6nm，優選2nm，一般來講，神經仿生層2的總厚度在20-25nm範圍內實用性更好。神經仿生層2採用磁控濺射方法製備而成，其Ag膜中間層2部分擴散在第一SiO2膜層21和第二SiO2膜層23內。

Ag電極層3的厚度可以在50-300nm範圍內；Ag電極層3為均勻分布在所述神經仿生層上的若干直徑為80-200μm的圓形電極。

實施例2

本發明所提供的神經仿生器件的製備方法包括如下步驟：

一、在襯底上形成神經仿生層

（1）準備襯底

選擇Ag作為襯底，然後將Ag襯底放在丙酮中用超聲波清洗10min，然後在放入酒精中用超聲波清洗10min，再用夾子取出放入去離子水中用超聲波清洗5min，最後取出，用N2吹乾。

（2）將襯底放入腔體並抽真空

採用如圖2所示的磁控濺射設備，打開磁控濺射設備腔體4，拿出壓片臺9，用砂紙打磨去掉表面汙漬至其色澤均勻發亮，用丙酮清洗打磨下來的廢物和表面附著的有機物，用酒精最後擦拭乾淨。將清洗好的Ag襯底放在壓片臺9上壓片，壓片時保證Ag襯底穩固壓在壓片臺9上並且壓平，保證濺射時候生長薄膜均勻。將整理好的壓片臺9放入腔體4內的襯底臺8上，固定好後關閉腔體4，對腔體4抽真空至2×10-4Pa。

（3）通入氣體

在腔體4內的壓片臺9的下方設置有靶臺6和靶臺12，靶臺6上用於放置銀靶材7，靶臺12上用於放置二氧化矽靶材11。二氧化矽靶材由磁控濺射設備腔體外的射頻源來控制其起輝，而銀靶材由磁控濺射設備腔體外的直流源來控制其起輝。

當腔體內的氣壓為2×10-4Pa時，打開兩個氣瓶，通過充氣閥5向腔體內通入流量比為75sccm : 25sccm的Ar和O2，調整接口閥10使腔體內的壓強維持在1-6Pa，打開控制二氧化矽靶材起輝的射頻源，調整射頻源功率為150W，使二氧化矽靶材起輝，預濺射10min。

（4）第一SiO2膜層的形成

在二氧化矽預濺射之後，打開擋板，開始正式濺射30min，在Ag襯底上形成一層SiO2膜層，即為第一SiO2膜層。

（5）Ag膜中間層的形成

將控制二氧化矽靶材起輝的射頻源關掉，將腔體抽至2×10-4Pa，打開控制Ag靶材起輝的直流電源，襯底升溫至400℃，調整射頻源功率為10w，使銀靶材起輝，預濺射10min，然後正式濺射6s，得Ag膜中間層，此時Ag膜中間層的Ag已部分擴散進入第一SiO2膜層內。

（6）第二SiO2膜層的形成

形成Ag膜中間層後，關閉直流電源，打開射頻電源，在襯底溫度為400℃情況下，控制二氧化矽靶材起輝的射頻源，調整射頻源功率為150W，使二氧化矽靶材起輝，預濺射10min，開始正式濺射30min，在Ag膜中間層上形成第二SiO2膜層，此時Ag膜中間層的Ag已部分擴散進入第二SiO2膜層內。

二、在神經仿生層上形成電極層

（1）關閉射頻源，通過接口閥10洩壓，打開磁控濺射設備腔體4，在Ag襯底形成有神經仿生層的第二SiO2膜層上放置掩膜版，掩膜版上均勻密布有直徑為90μm的圓形孔；將二氧化矽靶材替換為Ag靶材，清洗腔體；

（2）對腔體抽真空至2×10-4Pa；腔體內通入流量為25sccm的Ar，調整接口閥10使腔體內的壓強維持在1-6Pa，打開控制銀靶材起輝的直流源，調整直流源功率為10W，使銀靶材起輝，預濺射5min；之後正式濺射10min，在第二SiO2膜層上形成Ag電極層，即製備了神經仿生器件。

以上所述的實施方式是本發明所保護的製備方法中的任意一種實施例，其只要在權利要求及說明書中所描述的工藝參數的範圍內均可獲得本發明所要保護的神經仿生器，且所製備的神經仿生器件與本實施例所製備的器件具有同樣或類似的性能。

本發明所製造出來的器件具有電子突觸功能，一般突觸的功能，具體為活動時序依賴突觸可塑性（Spike-Time-Depend Plasticity, STDP），涉及到突觸前刺激和突觸後刺激的共同作用。在電子突觸器件中，器件的兩端分別代表了突觸前和突觸後，兩個極性的電脈衝分別施加在這兩端作為突觸前刺激和突觸後刺激，以改變電壓值作為不同的刺激，來改變電阻。

實施例3

對實施例2所製備的神經仿生器件施加電壓進行掃描，其結果如圖3所示。給實施例2所製備的神經仿生器件的Ag電極層上施加一個正電壓，電流急劇增大至限流，器件處於低阻態，當在器件的Ag電極層上施加負相電壓時，器件的電流急劇減小，電阻由低阻態變為高阻態。且當前電壓變化總是以前一次電壓值為基礎增長。本發明所製備的神經仿生器件呈現出的阻變特性物理機制是導電細絲阻變機制，其原理是導電細絲的形成和斷裂實現電阻高低的轉換。當給實施例2所製備的神經仿生器件施加正向電壓時，電場作用下的金屬離子形成的導電通道使得電流急劇增大，器件處於低阻狀態。施加負向電壓後，高電流產生的焦耳熱導致導電細絲斷裂，使得電流急劇減小，器件又變為高阻態。圖中顯示，對神經仿生器件施加不同的電壓，得到的I-V特性曲線基本相同，其阻值會隨著施加電壓變化而發生變化，並能夠記住先前的狀態，使電壓呈現連續性變化。所製備器件的非線性性、記憶性和神經突觸的原理有著很高的相似性。

在實施例2所製備的神經仿生器件上，通過將電子突觸器件添加到簡單電路中，分別測量源表電壓值和標準電阻電壓值，通過改變源表電壓，將其值控制在-1V~0.5V之間，其結果如圖4所示。圖中當施加在源表的電壓大於0 V時，逐漸增大源表的電壓，通過神經仿生器件的電流也逐漸增大，且其電阻逐漸減小。當施加在源表的電壓小於0V時，從-0.8V降至0V的過程中，通過神經仿生器件的電流逐漸減小，其電阻逐漸增大。充分說明脈衝信號大小的變化可引起器件電阻的變化，且電阻的變化是非線性的。這樣，模擬神經突觸時，突觸對外界刺激的感知可很好的用電壓的變化表示出來。

將實施例2所製備的神經仿生器件兩端作為兩個輸入，代表了突觸前刺激和突觸後刺激，對神經仿生器件的活動時序依賴突觸可塑性（STDP）進行檢測，其結果如圖5所示。在器件的兩個輸入端先後加入幅值大小相同的電脈衝，將脈衝時間差設置成10μs，以電導G的大小表示突觸權重的大小，突觸權重的變化量ΔW為電導相對變化量。圖5中，當脈衝時間差Δt>0 時，其權重W減小，器件電阻增加；當Δt<0 時，權重增大，器件電阻減小。且脈衝時間差越小，權重變化量ΔW越大，脈衝時間差越大，權重變化量ΔW越小，當脈衝時間差大到一定程度時，權重變化量ΔW趨近於零。改變通過突觸前後電壓脈衝時間差控制電脈衝幅值大小，影響兩者疊加的效果，控制電阻的變化，證明所製備的電子仿生器件具有STDP的功能，其可實現神經突觸功能。

以上所述的具體實施方式對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的最優選實施例，並不用於限制本發明，凡在本發明的原則範圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。