一种高k栅堆栈型有机场效应管仿神经元突触器件的研究

The synaptic device is the key component to construct the spiking neural network and realize the brain computing. Using field-effect transistor (FET) to mimic synaptic function is an important technical route. Because of its low power consumption and simple fabrication process, organic FET is an ideal device for emulating the synapse. However, for the organic FET, it is still difficult to realize long-term plasticity and low operating voltage. This project proposes a stacked gate structure. The surface-trap layer and bulk-trap layer with different thickness and defect density are placed near the channel. Ultra-thin surface- trap layer provides shallow-level defects that charge and discharge fast to achieve short-term plasticity; the bulk-trap layer provides deep-level defects that charge and discharge slowly to achieve long-term plasticity. Using high-k gate dielectric can greatly lower the operating voltage. This project will use the La-based oxide as surface- trap layer, with its low-valence oxygen vacancies as the shallow defects; use Nb2O5 or TiO2 as the bulk- trap layer, with its high-valence oxygen vacancies as deep-level defects. Ultra -low power reactive magnetron sputterer will be used to prepare the two layers, and the oxygen vacancy density will be controlled by oxygen atmosphere. The effect of the defects of the stacked gate on the plasticity of the device will be investigated, and the design rules of excitation pulse will be studied. This project will provides a new technical approach for the study of synaptic bionics.

仿神经元突触器件是搭建脉冲神经元网络，实现类脑计算的关键。利用场效应管模仿神经元突触功能是一条重要的技术路径。有机场效应管由于其超低功耗和简单制作工艺成为仿神经元突触的一种理想器件，但存在长时程可塑性实现困难和工作电压高的问题。为此项目提出一种栅堆栈结构，靠近沟道一侧依次添加厚度、缺陷密度和能带结构不同的面陷阱层、体陷阱层，超薄面陷阱层提供充放电快的浅能级缺陷，实现短时程可塑性；体陷阱层提供充放电慢的深能级缺陷，实现长时程可塑性；采用高k材料降低工作电压。为此，项目采用镧基氧化物作面陷阱层，利用其低价氧空位提供浅能级缺陷，拟采用Nb2O5或TiO2作体陷阱层，利用其高价态氧空位提供深能级缺陷。采用超低功率反应磁控溅射制作两陷阱层，通过氧气氛调控各层氧空位密度。研究栅堆栈中缺陷对仿神经元突触器件可塑性的影响机制，进而研究激励脉冲的设计规则。本项目研究将为仿神经元突触器件提供新的技术途径。

仿神经元突触器件是搭建脉冲神经元网络，实现类脑计算的关键。利用场效应管模仿神经元突触功能是一条重要的技术路径。有机场效应管由于其超低功耗和简单制作工艺成为仿神经元突触的一种理想器件，但存在长时程可塑性实现困难和工作电压高的问题。为此，该项目提出了一种栅堆栈结构，靠近沟道一侧依次添加厚度、缺陷密度和能带结构不同的面陷阱层、体陷阱层，超薄面陷阱层提供充放电快的浅能级缺陷，实现短时程可塑性；体陷阱层提供充放电慢的深能级缺陷，实现长时程可塑性；采用高k材料降低工作电压。在国家自然科学基金的资助下，本项目采用La基高k材料作为面陷阱层，SiO2、Ta2O5等作为体陷阱层，大幅度降低了突触器件的工作电压和功耗；通过调控高k介质HfLaO中La元素的比例，优化了面缺陷层的缺陷密度，从而获得了高性能的有机场效应管；通过对比试验的研究，发现了远程声子散射是体缺陷层调控有机场效应管突触器件的物理起源；通过共磁控溅射工艺，实现了一套低温制备柔性有机场效应管突触器件的技术途径；通过采用栅堆栈，实现了生物神经元突触的多种可塑性，包括短时程增强（STE）、短时程抑制（STD）、长时程增强（STP）、长时程抑制（LTD）等可塑性，并建立了仿突触器件的物理模型。项目还揭示了面缺陷层对并五苯有机薄膜的结晶颗粒度和有机场效应管的载流子迁移率、阈值电压及亚阈值摆幅等特性的影响规律；阐明了面缺陷层、体缺陷层对沟道电导的调控机制。该项目的实施为柔性仿突触器件的应用及柔性仿突触器件阵列打下了理论和实验基础，围绕有机场效应管突触器件的研究，已在国内外著名期刊IEEE IEEE Transactions on Electron Devices, Applied Surface Science、Applied Physics Letters等期刊上发表高水平学术论文4篇，还有1篇被IEEE Electron Device Letters 接收，申请发明专利3项（其中授权1项），已培养硕士研究生1名，正在培养博士研究生1名、硕士研究生2名。我们顺利完成了项目的预定研究任务，并在部分研究内容上做了适当扩展研究。

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