阅读说明：本技术 一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件及制备方法 (Synapse device based on novel quantum dot composite electrolyte layer and preparation method ) 是由 李俊 杨耀华 张志林 张建华 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种了基于新型量子点复合电解质层的突触器件及制备方法。包括：衬底,衬底上设置有量子点层以及底栅,量子点层上设置有介质缓冲层,所述介质缓冲层上设置有源极、漏极以及有源层,所述介质缓冲层用于阻隔所述有源层和所述量子点层之间的电子流动；所述源极、所述漏极以及所述有源层上设置有离子液层,所述离子液层上设有顶栅；所述漏极接地,所述源极接电压脉冲激励,使得所述量子点层处的正负离子分离与所述有源层和所述底栅处的电子空穴形成双电层增强特性或者抑制记忆特性。本发明能同时提升离子电导率以及突触记忆特性,与现有的氧化物TFT和硅基TFT有着良好的工艺兼容性,能有效地节约复合结构电解质薄膜晶体管的制备成本。(The invention discloses a synapse device based on a novel quantum dot composite electrolyte layer and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: the quantum dot structure comprises a substrate, wherein a quantum dot layer and a bottom gate are arranged on the substrate, a dielectric buffer layer is arranged on the quantum dot layer, a source electrode, a drain electrode and an active layer are arranged on the dielectric buffer layer, and the dielectric buffer layer is used for blocking the flow of electrons between the active layer and the quantum dot layer; ion liquid layers are arranged on the source electrode, the drain electrode and the active layer, and top gates are arranged on the ion liquid layers; the drain electrode is grounded, and the source electrode is connected with voltage pulse excitation, so that positive and negative ion separation at the quantum dot layer and electron holes at the active layer and the bottom grid form an electric double layer enhancement characteristic or a memory inhibition characteristic. The invention can simultaneously improve the ionic conductivity and the synaptic memory characteristic, has good process compatibility with the existing oxide TFT and silicon-based TFT, and can effectively save the preparation cost of the composite-structure electrolyte thin film transistor.)

一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件及制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件领域，特别是涉及一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件及制备方法。

背景技术

在突触仿生器件中，尤其是基于新型双电层栅介质中可移动离子界面调控的双电层薄膜晶体管(TFTs)在突触仿生方面具有巨大的应用前景。

突触是大脑实现信息传递和处理的关键部位，研制具有突触功能的器件对构建神经形态运算体系有重要的意义。在突触仿生器件中，尤其是基于新型双电层栅介质中可移动离子界面调控的双电层薄膜晶体管。双电层TFTs的栅介质中富含可移动离子，在工作时这些离子会在电解质/沟道的界面形成稳定的双电层，赋予了栅介质巨大的比电容使得双电层TFTs能低电压下工作，极大减少了器件能耗。双电层TFTs的沟道电导会受离子迁移产生的双电层电容调控，由于离子的运动速度远慢于电子，可在器件中观察到与突触塑性相似的行为。并且双电层赋予了栅介质巨大的比电容，使得双电层TFTs能在2V乃至于0.5V的低电压下工作，极大减少了器件能耗。通过添加顶栅可以实现器件的逻辑调控功能。以往的研究表明，器件在离子电导率以及突触记忆特性方面存在一些不足，大多是通过使用有机材料作为离子迁移层实现的，然而有机材料的离子浓度和离子迁移率相对较低，难以实现高性能的突触功能；因此目前的研究集中在有机复合高离子电导率材料的方式来克服的(如PVP复合C₃N₄(J.Mater.Chem.C 2020,8,4065.)，但是这种有机/二维材料复合材料往往表面较为粗糙，限制了突触器件的电子迁移率和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件及制备方法，能同时提升离子电导率以及突触记忆特性，与现有的氧化物TFT和硅基TFT有着良好的工艺兼容性，能有效地节约复合结构电解质薄膜晶体管的制备成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件，包括：衬底，所述衬底上设置有量子点层以及底栅，所述量子点层上设置有介质缓冲层，所述介质缓冲层上设置有源极、漏极以及有源层，所述介质缓冲层用于阻隔所述有源层和所述量子点层之间的电子流动；所述源极、所述漏极以及所述有源层上设置有离子液层，所述离子液层上设有顶栅；所述漏极接地，所述源极接电压脉冲激励，使得所述量子点层处的正负离子分离与所述有源层和所述底栅处的电子空穴形成双电层增强特性或者抑制记忆特性。

可选的，所述介质缓冲层以及所述量子点层为双层结构。

可选的，所述介质缓冲层的材料为氧化铝。

可选的，所述有源层的厚度为10nm～40nm，所述量子点层的厚度为500nm-1000nm，所述介质缓冲层的厚度为30nm～100nm，所述底栅、所述源极和所述漏极的厚度均为50nm～200nm。

可选的，所述衬底采用硅片、柔性衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的任意一种。

可选的，所述底栅的材料采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、Ti、ITO、W、Ag和Ta中的任意一种或者任意几种。

可选的，所述源极和所述漏极材料分别采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一种或者任意几种。

可选的，所述有源层采用二维MoS₂、黑磷、半导体型石墨烯中的任意一种材料制备。

可选的，所述量子点层采用Graphene Oxide quantum dots、polyethylenimineCarbon quantum dots中的任意一种材料制备；所述介质缓冲层采用Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、Ta₂O₅中的任意一种材料制备；所述顶栅采用金丝和银丝中的任意一种材料制备而成。

本发明还提供了一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件的制备方法，包括：

选择符合设定尺寸要求的衬底，清洗后烘干备用；

在制备好的干燥洁净的衬底上，通过真空蒸发方法或溅射工艺，制备厚度为50nm～200nm的图案化的底栅，得到具有底栅的衬底；

在所述具有底栅的衬底上，在氩气中处理Graphene Oxide，然后在超声处理下以及在浓HNO₃中对经氩气处理的Graphene Oxide进行氧化，然后将氧化后的Graphene Oxide在真空烘箱中加热至70℃，将产物分散在去离子水中，并通过孔径为0.2μm的聚醚砜膜进行过滤以获得量子点；将量子点溶液分散在聚乙烯吡络烷酮水溶液中，通过溶液滴涂法制备量子点层；

在所述量子点层上，采用原子层沉积技术或者溅射技术制备厚度为30nm～50nm的介质缓冲层；

采用溶液法，在所述介质缓冲层上，制备厚度为10nm～40nm的石墨烯薄膜，作为有源层；

在所述有源层上采用真空蒸发方法或溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50nm～200nm；当采用真空蒸镀的方法制备电极时，控制真空度小于10^-3Pa；

在制备有源层和制备源极及漏极之后，使用滴涂法制备离子液层；

在制备的离子液层上面***银丝或者金丝作为顶栅。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用复合结构电解质层结构(量子点层和介质缓冲层)制备，并通过调控量子点层中的离子迁移实现突触记忆特性，并且在离子液层中的离子迁移可以实现调控逻辑信号。采用本发明制备的突触器件，不仅能提升TFT器件的电学性能，更重要的是可以实现器件的逻辑调控功能以及突触记忆特性。可见采用本发明的复合结构电解质突触TFT，利用传统的制备工艺，该方案简单可行，将在突触记忆领域有着良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于新型量子点复合电解质层的突触器件的结构框图；

图2为本发明实施例制备的突触器件在栅极施加脉冲时得到的电流响应示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件及制备方法，能同时提升离子电导率以及突触记忆特性，与现有的氧化物TFT和硅基TFT有着良好的工艺兼容性，能有效地节约复合结构电解质薄膜晶体管的制备成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件，包括：衬底7，所述衬底7上设置有量子点层5以及底栅6，所述量子点层5上设置有介质缓冲层4，所述介质缓冲层4上设置有源极1、漏极2以及有源层3。所述介质缓冲层4用于阻隔所述有源层3和所述量子点层5之间的电子流动。所述源极1、所述漏极2以及所述有源层3上设置有离子液层8，所述离子液层8上设有顶栅9。所述介质缓冲层4和量子点层5构成复合结构电解质层，均为双层结构。

所述漏极2接地，所述源极1接电压脉冲激励，使得所述量子点层5处的正负离子分离与所述有源层3和所述底栅6处的电子空穴形成双电层增强特性或者抑制记忆特性。

所述有源层3的厚度为10nm～40nm，所述有源层3采用二维MoS₂、黑磷、半导体型石墨烯中的任意一种材料制备。

所述介质缓冲层4采用Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、Ta₂O₅中的任意一种材料制备，所述介质缓冲层4的厚度为30nm～100nm。

所述量子点层5采用Graphene Oxide quantum dots、polyethylenimine Carbonquantum dots中的任意一种材料制备；所述量子点层5的厚度为500nm-1000nm。

所述底栅6、所述源极1和所述漏极2的厚度均为50nm～200nm。所述源极和所述漏极材料分别采用Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、Ti、Mg和Ca中的任意一种或者任意几种。所述底栅的材料采用Au、Al、Cu、Mo、Cr、Ti、ITO、W、Ag和Ta中的任意一种或者任意几种。

所述衬底7采用硅片、柔性衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的任意一种。

所述顶栅9采用金丝和银丝中的任意一种材料制备而成。

本发明还提供了一种基于新型量子点复合电解质层的突触器件的制备方法，包括：

选择符合设定尺寸要求的衬底，依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗30min，清洗后烘干，进行UV-Ozone处理10min，备用；

在制备好的干燥洁净的衬底上，通过真空蒸发方法或溅射工艺，制备厚度为50nm～200nm的图案化的底栅，得到具有底栅的衬底；

在所述具有底栅的衬底上，在氩气中处理Graphene Oxide，然后在超声处理下以及在浓HNO3中对经氩气处理的Graphene Oxide进行氧化，然后将氧化后的Graphene Oxide在真空烘箱中加热至70℃，将产物分散在去离子水中，并通过孔径为0.2μm的聚醚砜(PES)膜进行过滤以获得Graphene Oxide Quantum Dots；将量子点溶液分散在聚乙烯吡络烷酮(0.2g/ml)水溶液中，通过溶液滴涂法制备量子点层；

在所述量子点层上，采用原子层沉积技术或者溅射技术制备厚度为30nm～50nm的氧化铝介质缓冲层；

采用溶液法，在所述介质缓冲层上，制备厚度为10nm～40nm的石墨烯薄膜，作为有源层；

在所述有源层上采用真空蒸发方法或溅射方法分别制备源极和漏极，使源极和漏极实现图案化，并使源极和漏极的厚度均为50nm～200nm；当采用真空蒸镀的方法制备电极时，控制真空度小于10^-3Pa；

在制备有源层和制备源极及漏极之后，使用滴涂法制备离子液层。离子液体选择[BMIm]OTf-1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐。

在制备的离子液层上面***银丝或者金丝作为顶栅。

如图2为在栅极施加3Hz电压脉冲(脉宽为40ms)时得到的电流响应示意图，从图2中可以看出，当以此方式得到的此类器件，可以使得突触后电流大幅降低，并且能够实现强大的突触记忆功能。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。