一種神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人工神經(jīng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法，尤其涉及一種基于柔性憶阻器(Memristor)的神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人工智能計算機(jī)是一種能夠動態(tài)發(fā)展、具備自主學(xué)習(xí)能力、更加接近人類大腦的計算機(jī)，其與傳統(tǒng)計算機(jī)的構(gòu)建思路不同。但到目前為止，絕大多數(shù)人工智能計算機(jī)的研究都集中在軟件層面，這些軟件最終的運算還是要由傳統(tǒng)計算機(jī)用0和1來完成，本質(zhì)上，它們依然沒有擺脫傳統(tǒng)計算機(jī)結(jié)構(gòu)的束縛。IBM公司利用藍(lán)色基因超級計算機(jī)來模擬貓的大腦皮層認(rèn)知功能，其使用了 147，456個處理器，需消耗超過2兆瓦的電力，能耗巨大。
[0003]神經(jīng)突觸是人腦學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)，因此對突觸的模擬是實現(xiàn)人工智能的重要步驟。在以往的研究中，模擬一個神經(jīng)突觸就需要多個晶體管和電容，而人的大腦中神經(jīng)突觸的數(shù)量多達(dá)1014個，不僅功耗巨大，而且嚴(yán)重影響集成密度。憶阻器的電導(dǎo)能夠隨流經(jīng)電荷量而發(fā)生連續(xù)變化并且其變化能夠在斷電之后保持，這一特性與神經(jīng)突觸的非線性傳輸特性非常相似。利用憶阻器作為神經(jīng)形態(tài)電路中的神經(jīng)突觸有很大的應(yīng)用前景。
[0004]柔性存儲器件由于具有輕便、可彎曲等特點而受到廣泛關(guān)注。目前有關(guān)神經(jīng)突觸仿生器件的研究大多集中于硅基的憶阻器，而基于柔性襯底的憶阻器神經(jīng)突觸仿生器件的研究幾乎沒有。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法，使得仿生芯片的功耗控制在要求的范圍內(nèi)，密度能與真實的大腦相媲美。
[0006]本發(fā)明利用憶阻器模擬神經(jīng)突觸的學(xué)習(xí)記憶功能，開發(fā)出一種能夠用作神經(jīng)突觸仿生器件的新的材料體系，且用作神經(jīng)突觸仿生器件的憶阻器是基于柔性襯底的，突破了目前有關(guān)神經(jīng)突觸仿生器件的研究集中于硅基的憶阻器的局面，有望在柔性電子設(shè)備中獲得應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明提供的神經(jīng)突觸仿生器件，包括:襯底、位于襯底之上的底電極層、位于底電極層之上的阻變功能層、位于阻變功能層之上的頂部電極層，所述電阻轉(zhuǎn)變層包括上下兩層氧化層、以及位于上下兩層氧化層之間的金屬納米顆粒。
[0008]本發(fā)明中，襯底可以為本領(lǐng)域常用襯底，如玻璃襯底、藍(lán)寶石襯底、石英襯底、塑料襯底、硅襯底等。優(yōu)選為，所述襯底由柔性材料構(gòu)成。
[0009]作為優(yōu)選，所述襯底例如是由聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料或者金屬陶瓷材料形成。
[0010]作為優(yōu)選，所述氧化層為Ti02、Ta205、A1203、ZnO、Hf02等二元金屬化合物形成。
[0011]作為優(yōu)選，所述金屬納米顆粒為Ag、Au、Pt等金屬。
[0012]作為優(yōu)選，所述金屬納米顆粒的尺寸為40~80nm。
[0013]本發(fā)明提供的神經(jīng)突觸仿生器件的制備方法，具體步驟包括:襯底上形成底電極；在底電極上形成阻變功能層；以及在阻變功能層上形成頂電極。其中，形成所述組變功能層的步驟包括:形成下層氧化層；在下層氧化層上形成金屬納米顆粒；以及在金屬納米顆粒上形成上層氧化層。
[0014]本發(fā)明中，所述襯底可以為本領(lǐng)域常用襯底，如玻璃襯底、藍(lán)寶石襯底、石英襯底、塑料襯底、硅襯底等。優(yōu)選為，所述襯底為柔性材料。
[0015]作為優(yōu)選，所述襯底選自聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料，或者金屬陶瓷材料。
[0016]作為優(yōu)選，所述氧化層為Ti02、Ta205、A1203、ZnO、Hf02中的一種，或其中幾種的組入口 ο
[0017]作為優(yōu)選，所述金屬納米顆粒材料為Ag、Au或Pt。
[0018]作為優(yōu)選，所述形成氧化層采用低溫原子層淀積工藝。
[0019]作為優(yōu)選，所述形成金屬納米顆粒采用旋涂的方法。
[0020]發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，可以為構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供小尺寸、低功耗的基本單元。釆用柔性材料作襯底，突破了目前有關(guān)神經(jīng)突觸仿生器件的研究集中于硅基的憶阻器的局面，可在柔性電子設(shè)備中獲得應(yīng)用。此外，采用低溫原子層淀積工藝生長氧化層，原子層淀積技術(shù)具有薄膜均勻性好，沉積厚度精確可控等優(yōu)點，能降低熱預(yù)算的同時，保證了器件性能，使得存儲在電荷陷阱層的電荷信息不會嚴(yán)重泄漏。
【附圖說明】
[0021]圖1是形成底電極后的示意圖。
[0022]圖2是形成下層氧化層后的示意圖。
[0023]圖3是形成金屬納米顆粒后的示意圖。
[0024]圖4是形成上層氧化層后的示意圖。
[0025]圖5是進(jìn)行光刻工藝后形成的刻蝕圖形的示意圖。
[0026]圖6是形成頂電極后的示意圖。
[0027]圖7是形成神經(jīng)突觸仿生器件的流程圖。
[0028]圖8是形成阻變功能層的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括其它特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0030]以下，根據(jù)所附附圖針對本發(fā)明所涉及的神經(jīng)突觸仿生器件的實施方式的一例進(jìn)行說明。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種神經(jīng)突觸仿生器件。在圖6中示出了該神經(jīng)突觸仿生器件的結(jié)構(gòu)，包括襯底101、位于襯底之上的底電極層102、位于底電極層102之上的阻變功能層103、以及位于阻變功能層之上的頂部電極層105。所述電阻轉(zhuǎn)變層包括上層氧化層1001和下層氧化層1003，以及位于上下兩層之間的金屬納米顆粒1002。
[0032]優(yōu)選為，襯底101為柔性襯底。更為優(yōu)選為，襯底101由聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料或者金屬陶瓷材料形成。
[0033]優(yōu)選為，底電極102為ΙΤ0，頂電極105由TaN、TiN等材料形成。優(yōu)選為氧化層1001和1003由Ti02、Ta205、A1203、ZnO、Hf02等二元金屬化合物形成。優(yōu)選為，所述金屬納米顆粒1002是Ag、Au、Pt等金屬。優(yōu)選為，金屬納米顆粒的尺寸為40~80nm。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種神經(jīng)突觸仿生器件的制備方法。以下按照圖7中所示的制造神經(jīng)突觸仿生