[发明专利]一种类胶质细胞神经形态器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种类胶质细胞神经形态器件及其制备方法。该器件包括绝缘衬底和位于衬底上的底电极、阻变层、介质层和顶电极，其中，所述底电极位于绝缘衬底之上，介质层位于底电极之上，该介质层中经图形化刻蚀出孔结构，孔的底部暴露出底电极；阻变层覆盖在该孔底部和侧壁，以及包裹在该孔周围的介质层上；顶电极位于阻变层上；阻变层和介质层皆为半导体材料，但阻变层中的离子迁移率或离子浓度与介质层不同，且介质层的厚度大于阻变层。通过在顶、底电极上施加电压，改变介质层和阻变层中的电场强度分布，使介质层和阻变层发生离子的交互作用，从而影响阻变层中导电细丝的形成和熔断动力学，进而有效的模拟突触周围环境对突触可塑性的影响。

技术领域

本发明属于半导体领域和仿生领域，涉及神经形态器件，具体涉及一种类胶质细胞神经形态器件及其制备方法。

背景技术

伴随着大数据时代的到来，传统冯诺依曼架构因为存和算模块相互独立、顺序计算等特点造成计算机的低运算效率、高功耗问题日益严峻。为解决这一问题，模拟人类大脑计算架构的神经形态计算广受关注。因此作为神经形态计算最基本单元的神经形态器件也成为大家研究的热点。当前神经形态器件的研究主要落脚在人工突触器件和神经元器件上。

神经元器件顾名思义就是在器件上模拟实现生物神经元功能。神经元分为细胞体和突起两部分。突起有树突和轴突两种，起到接受其他神经元轴突传来的冲动并传给细胞体的作用。细胞体主要作用在于联络和整合输入信息并传出信息。通常，人们用模拟运算放大器来代表胞体，用导线来代表树突和轴突，用电阻器来代表突触连接，其阻值即为连接权值，以此充分发挥神经网络并行处理的特点。

生物突触作为神经元之间的连接单元，是神经元器件的研究基础。突触是由突触前膜、突触间隙和突触后膜组成。信号传递到突触前膜，刺激前膜中的囊泡释放神经递质，递质经过突触间隙到达突触后膜，改变后膜的动作电位。该过程对信号进行了传递。人工突触器件是将金属电极拟作突触的前膜和后膜，两电极间的半导体或者掺杂绝缘体拟作突触间隙，然后实现一系列的突触行为，如长时程可塑性、短时程可塑性、双脉冲易化、突触的再可塑性等，为神经形态计算的实现打下坚实的基础。

但是在生物中，突触的周围环境胶质细胞对突触的信号传递也有着较为重要的影响。神经元轴突的钾离子外流，会导致胶质细胞去极化，从而使得胶质细胞中的Ca²⁺浓度增多，并以钙波的形式通过缝隙连接在胶质细胞中传播，致使胶质细胞释放神经递质(谷氨酸、ATP、D-丝氨酸、同型半胱氨酸等)，作用于突触前膜或后膜，从而对突触的长时程、短时程可塑性造成影响。但在目前的神经形态器件的研究过程中，大家仅仅只是将目光放在生物突触本身以及神经元的累积发放特性上，而忽略了突触的周围环境对其突触功能的影响。因此，充分借鉴胶质细胞对突触功能的影响制备突触器件显得十分必要和关键。

发明内容

为了解决当前神经形态器件在模拟突触功能方面对于突触周围环境的忽视，本发明的一个目的是提出一种类胶质细胞的神经形态器件，用以模拟突触周围环境对突触功能的影响。

本发明的类胶质细胞神经形态器件，包括绝缘衬底和位于衬底上的底电极、阻变层、介质层和顶电极，其中，所述底电极位于绝缘衬底之上，所述介质层位于底电极之上，该介质层中经图形化刻蚀出孔结构，孔的底部暴露出底电极；所述阻变层覆盖在该孔底部和侧壁，以及包裹在该孔周围的介质层上；所述顶电极位于阻变层上；所述阻变层和介质层皆为半导体材料，但阻变层中的离子迁移率或离子浓度与介质层不同，且介质层的厚度大于阻变层。

对于上述类胶质细胞神经形态器件，通过在顶、底电极上施加电压，会改变介质层和阻变层中的电场强度分布，由于介质层和阻变层中的离子浓度或者离子迁移率不同，两者中的离子会因为径向运动而相互作用，从而影响阻变层中导电细丝的形成和熔断动力学，进而有效的模拟突触周围环境对突触可塑性的影响。