[发明专利]一种铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法

说明书

本发明涉及了一种铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法，其特点是衬底上依次制备二维半导体层、源/漏电极、铁电功能层和栅电极，组成铁电极化调控的人工突触结构，所述二维半导体为MoS₂或WSe₂过渡金属硫族化合物涂层；所述铁电功能层为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜；突触器件的制备包括：SiO₂/Si层、过渡金属硫族化合物曾、背栅结构、聚偏氟乙烯层和金属顶栅电极的制备。本发明与现有技术相比具有超低功耗、寿命长等优点，这些特性使得该有机铁电晶体管突触非常有前景，可以促使大规模的神经结构网络模拟人类大脑，并启发人脑算法网络中的大规模并行性和低功耗操作。

技术领域

本发明涉及场效应晶体管电子技术领域，尤其是一种基于有机铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法。

背景技术

传统数字计算机在自动控制、模式识别、联想记忆及信号处理等领域表现出不足，因此，急需寻找一种突破原有体系的技术从而实现快速、轻便、低功耗的硬件，模仿人类大脑，开发神经形态计算机是科学家寻求突破的方向。人类大脑每个神经元通过突触与成千上万个神经元进行连接，并采用分布式和并发式的方式传导信号，弥补了单神经元处理速度的不足。神经元突触之间的连接强度可以通过突触前神经元与后神经元相对的脉冲时间来进行调节，这是人脑进行计算、学习、记忆的生物学基础。

目前，实现神经形态计算主要基于软件和基于硬件的方法，基于软件的方法，如最近战败人类围棋冠军的AlphaGo，实质上是工作在传统数字计算机上的基于深度学习算法的程序，因此这种方法也是高耗能的，从长远来看并不是实现神经形态计算的理想方案；而基于硬件的方法，从底层构建一个可比拟突触和神经元功能的电子器件，并用此来构建神经形态计算系统，这种方法可以从物理层面实现类似大脑的大规模并行和高度可塑性，在实现神经形态计算方面具有巨大潜力。这类方法的关键之一就是实现模拟生物突触的权重可以连续变化功能的人工突触固态电子器件。

最近几年，在忆阻器基础上发展起来的“人工突触”器件引起了各国研究人员的广泛关注，忆阻器是一种具有记忆功能的非线性电阻，通过外加电场可以控制其阻值连续变化，这种忆阻效应可以有效地模拟生物突触连接权重的可塑性行为。将忆阻器作为电子突触应用到神经形态系统中，有望构建接近于人脑的高集成度神经形态系统的仿脑芯片。

现有技术的忆阻器研究主要集中于无机绝缘材料，这些无机绝缘材料的忆阻机理主要是基于材料内部的阴、阳离子移动。因为离子在不均匀电场的驱动下的移动进一步增加电场的不均匀性，导致这类忆阻器的性能具有非常差的重复性以及不同器件之间糟糕的均匀性。这极大地限制了忆阻器在电路集成方面的发展，因此探索高速率、高稳定性、高重复性的新型忆阻器器件非常重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种铁电极化调控的人工突触器件及其制备方法，采用聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料为栅介质材料，以二维半导体作为导电沟道制备三端场效应晶体管，将铁电材料引入传统场效应晶体管结构，形成铁电极化调控的人工突触结构，基于铁电极化动力学在电场下的响应，实现器件的超低功耗、高稳定性、高重复性及完全电信号控制的铁电突触器件。聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料的铁电极化状态可以通过外电场进行连续调控，在不同极化状态下的极化电场改变二维半导体沟道的载流子浓度，进而引起二维半导体沟道的电导率的连续变化，其电导率可以被极化场进行五个数量级的调控，聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料的极化状态是非挥发性的，高度可控，保持性和疲劳特性优异，极化反转的功耗低，并且具有很好的抗辐射特性，基于聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料薄膜和二维半导体的铁电晶体管可以实现一种新型的人工突触器件，具有更好重复性、稳定性以及更低的能耗，实现了二维半导体铁电场效应结构在人工电子突触领域的广泛应用。