阅读说明：本技术 一种近红外光调控突触晶体管及其制备方法 (A kind of near infrared light regulation synapse transistor and preparation method thereof ) 是由 韩素婷 周晔 王燕 王展鹏 周黎 吕子玉 宫悦 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种近红外光调控突触晶体管及其制备方法,所述晶体管的制备方法包括以下步骤：制备MoSe2/Bi2Se3异质结构；配置PMMA的氯苯溶液,再将MoSe2/Bi2Se3异质结构混合到PMMA的氯苯溶液中；在Si/SiO2衬底层上设置MoSe2/Bi2Se3/PMMA层,在100-140摄氏度下退火30-50分钟；在MoSe2/Bi2Se3/PMMA层上设置半导体层；在半导体层上设置源极与漏极。本发明中基于MoSe2/Bi2Se3的拓扑绝缘体材料的突触装置显示出明显的近红外光控制的突触可塑性特征,近红外光光强度的调控使得本发明的光子突触器件实现了由短期可塑性STP对应的短期记忆向长期可塑性LTP对应的长期记忆的转变,为光控神经架构及其在神经形态计算中的应用提供了硬件基础。(The present invention discloses a kind of near infrared light regulation synapse transistor and preparation method thereof, and the preparation method of the transistor is the following steps are included: preparation MoSe2/Bi2Se3 heterojunction structure；The chlorobenzene solution of PMMA is configured, then MoSe2/Bi2Se3 heterojunction structure is mixed into the chlorobenzene solution of PMMA；MoSe2/Bi2Se3/PMMA layers are arranged on Si/SiO2 substrate layer, anneals 30-50 minutes under 100-140 degrees Celsius；Semiconductor layer is set on MoSe2/Bi2Se3/PMMA layers；Setting source electrode and drain electrode on the semiconductor layer.The synapse device of topological insulator material in the present invention based on MoSe2/Bi2Se3 shows the synaptic plasticity feature of apparent near infrared light control, the regulation of near infrared light luminous intensity so that photon cynapse device of the invention realizes the transformation from the corresponding short-term memory of short-term plasticity STP to the corresponding long-term memory of long-term plasticity LTP, for light-operated neural framework and its in neuromorphic calculating using providing hardware foundation.)

一种近红外光调控突触晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体晶体管领域，尤其涉及一种近红外光调控突触晶体管及其制备方法。

背景技术

神经启发计算可以模仿人类大脑中效率，弹性和多功能性的核心特征，这可以克服冯诺依曼计算系统中的数据流量瓶颈。使用新颖的人工设备构建神经启发的架构，确保记忆和学习更低能量消耗和密度更高。在人类大脑中，信息被收集并暂时存储在海马中，通过不同的刺激学习将短期记忆(STM)转化为长期记忆(LTM)。为了实现电子设备中学习和记忆的人工突触识别，必须具有不同时间尺度的可塑性。因此，短期可塑性(STP)调节突触传递过程中的瞬态动力学效应，而长期可塑性(LTP)显示给定刺激的稳定效应。因此，模拟的突触可塑性STP和LTP使自己支持复杂的认知功能和适应性行为模式。

到目前为止，对神经启发计算的重点主要在于相变存储器中的电刺激感应电阻状态切换，忆阻器，以及基于晶体管的存储器。与现有的电信号的功率损耗以及通过电信号计算固有的触发选择性和空间限制相比，基于光学刺激的突触装置可以通过具有低功率和高效率的光子极大地调节突触可塑性。现有光子突触的技术集中在具有相对较大带隙的紫外(UV)敏感材料上,限制了具有仿生功能的光控突触晶体管光控材料的选择。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近红外光调控突触晶体管及其制备方法，丰富了具有仿生功能的光控突触晶体管光控材料的选择。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种近红外光调控突触晶体管，其中，包括：源极、漏极、半导体层、近红外光调控层以及衬底层；所述近红外光调控层接触连接于所述衬底层上方，所述半导体层接触连接于所述近红外光调控层上方，所述源极与所述漏极皆接触连接于半导体层上方，且所述源极与所述漏极不接触；所述近红外光调控层包括MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构。

所述近红外光调控层为MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层。

本发明还提供一种近红外光调控突触晶体管的制备方法，其中，包括以下步骤：

步骤S1、在衬底层上设置MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层，其中，所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层为MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构和PMMA的氯苯溶液的混合液制备而成；

步骤S2、在MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层上设置半导体层；

步骤S3、在半导体层上设置源极与漏极。

所述MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构的制备方法包括以下步骤：

步骤S11、将Ph₃Bi与(PhCH₂)₂Se₂溶解于油胺，超声处理，制得第一混合液，所述Ph₃Bi、(PhCH₂)₂Se₂与油胺的摩尔比为80-120:60-90:3。

步骤S12、将MoO₂(acac)₂、(PhCH₂)₂Se₂溶解于油胺中，超声处理，制得第二混合液，所述MoO₂(acac)₂、(PhCH₂)₂Se₂与油胺的摩尔比为80-120：80-120：3。

步骤S13、将所述第一混合液与第二混合液分别放入60-80摄氏度烘箱中加热。

步骤S14、将体积比为9-11:1的油胺与油酸置于反应器中，在130-150摄氏度下加热30-60分钟。

步骤S15、将第一混合液加入所述反应器，在270-290摄氏度下反应4-6分钟，再将第二混合液加入所述反应器，在270-290摄氏度下反应15-25分钟，除杂、洗涤、离心分离、干燥，得到MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构。

步骤S11中所述Ph₃Bi、(PhCH₂)₂Se₂的摩尔比为100:75:3；步骤S12中所述MoO₂(acac)₂、(PhCH₂)₂Se₂与油胺的摩尔比为100：100：3；步骤S14中所述油胺与油酸的体积比为10:1。所述PMMA的氯苯溶液的浓度为8-12毫克/毫升。

所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层为MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构和PMMA的氯苯溶液的混合液的制备方法具体包括：按照10毫克MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构与1毫升PMMA的氯苯溶液的比例混合，超声处理。

所述在衬底层上设置MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层具体包括：将MoSe₂/Bi₂Se₃与PMMA的氯苯溶液的混合液旋涂在所述衬底层的介电层上，旋涂速度为2500-3500rpm，持续旋涂时间为30-50秒。

所述在MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层上设置半导体层具体包括：于4×10^-4帕压强下，在所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层的上，以0.1-0.2埃米/秒的速率蒸镀并五苯。

本发明具有的有益效果为：本发明中基于MoSe₂/Bi₂Se₃的拓扑绝缘体材料的突触装置显示出明显的近红外光控制的突触可塑性特征，近红外光光强度的调控使得本发明的光子突触器件实现了由短期可塑性STP对应的短期记忆向长期可塑性LTP对应的长期记忆的转变，为近红外光光控神经架构及其在神经形态计算中的应用提供了硬件基础，丰富了具有仿生功能的光控突触晶体管光控材料的选择。

附图说明

图1为本发明提供的近红外光脉冲刺激下的兴奋性突触后电流变化图；

图2为本发明提供的近红外光调控突触晶体管的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种近红外光调控突触晶体管，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构纳米片作为电子捕获介质开发近红外光光控突触晶体管，具有抑制了电子反向散射而具有高载流子迁移率的效果。本发明中基于MoSe₂/Bi₂Se₃的拓扑绝缘体材料的突触装置显示出明显的近红外光控制的突触可塑性特征，如图1所示，近红外光光强度的调控使得本发明的光子突触器件实现了由短期可塑性STP对应的短期记忆向长期可塑性LTP对应的长期记忆的转变，为光控神经架构及其在神经形态计算中的应用提供了一种可用近红外光调控的突触晶体管及其制备方法。

如图1所示，根据具体实施例一制备的近红外光调控突触晶体管在波长为790nm的单色光下进行为期0.01秒的照射。当光照强度为0.15mW/cm²时，兴奋性突触后电流值在短暂的光脉冲照射后，在初始状态值为29纳安的基础上表现出1纳安的电流值增幅；当光脉冲照射结束后，兴奋性突触后电流值随着时间衰减并回归至初始状态的数值。当光照强度为1.65mW/cm²时，兴奋性突触后电流值在短暂的光脉冲照射后，在初始状态值为22纳安的基础上表现出9纳安的电流值增幅并增至31纳安；当光脉冲照射结束后，兴奋性突触后电流值随着时间衰减并回归至29纳安的数值。由此可见，本发明的近红外光调控突触晶体管在较低光照强度近红外光光照下的表现可模拟生物学中神经突触的短期可塑性(STP)，在较高光照强度的近红外光光照下的表现可模拟生物学中神经突触的长期可塑性(LTP)。

本发明提供一种近红外光调控突触晶体管的较佳的实施例如图2所示，包括：源极1、漏极2、半导体层3、近红外光调控层4以及衬底层5；所述近红外光调控层4接触连接于所述衬底层5上方，所述半导体层3接触连接于所述近红外光调控层4上方，所述源极1与所述漏极2皆接触连接于半导体层3上方，且所述源极与所述漏极不接触。

具体地，本发明采用的是顶接触式底栅型晶体管结构，顶接触结构的源、漏电极远离衬底层，与半导体层和介电层直接相连，在制作时可针对介电层进行修饰，改变半导体的结构及形貌，从而提高器件的载流子迁移率；若需要半导体层无覆盖地暴露在测试环境中，针对半导体层进行优化测试时，亦可采用底接触式结构，即半导体层设于源、漏极之上，且与介电层接触的结构。

所述源极1与漏极2采用金、银、铜、锗、镍等良导体金属材料作为源、漏电极,厚度为20-40nm，源、漏电极材料优选为金，厚度优选为30nm。

所述半导体层3为P型半导体，具体材料为并五苯、石墨烯、氧化锌其中的一种，优选为并五苯，所述半导体层的厚度为20-40nm，优选为30nm。

所述近红外光调控层4为所述近红外光调控层包括MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构，优选为MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层，所述PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，也可采用聚苯乙烯(PS)或聚乙烯醇(PVA)材料替代聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

所述衬底层5包括100纳米厚的二氧化硅介电层以及硅栅极层，所述介电层位于所述硅栅极上方且与所述硅栅极接触并固定。所述硅栅极还可采用以下材料的一种代替：钨、钛、钴或镍与多晶硅制成的金属硅化物，或是包括钽、钨、氮化钽、氮化钛的金属。

本发明还提供一种近红外光调控突触晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、在衬底层上设置MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层，其中，所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层为MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构和PMMA的氯苯溶液的混合液制备而成。

步骤S2、在MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层上设置半导体层。

步骤S3、在半导体层上设置源极与漏极。

所述步骤S1中PMMA的氯苯溶液的浓度为8-12毫克/毫升，优选为10毫克/毫升。

所述步骤S1中MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构的制备方法为热注射法，具体包括以下步骤：

步骤S11、将Ph₃Bi与(PhCH₂)₂Se₂溶解于油胺，超声处理，制得第一混合液，所述Ph₃Bi、(PhCH₂)₂Se₂与油胺的摩尔比为80-120:60-90:3。

步骤S12、将MoO₂(acac)₂、(PhCH₂)₂Se₂溶解于油胺中，超声处理，制得第二混合液，所述MoO₂(acac)₂、(PhCH₂)₂Se₂与油胺的摩尔比为80-120：80-120：3。

步骤S13、将所述第一混合液与第二混合液分别放入60-80摄氏度烘箱中加热。

步骤S14、将体积比为9-11:1的油胺与油酸置于反应器中，在130-150摄氏度下加热30-60分钟。

步骤S15、将第一混合液加入所述反应器，在270-290摄氏度下反应4-6分钟，再将第二混合液加入所述反应器，在270-290摄氏度下反应15-25分钟，除杂、洗涤、离心分离、干燥，得到MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构。

步骤S11中所述Ph₃Bi、(PhCH₂)₂Se₂的摩尔比优选为100:75:3，步骤S12中所述MoO₂(acac)₂、(PhCH₂)₂Se₂与油胺的摩尔比优选为100：100：3，步骤S14中所述油胺与油酸的体积比优选为10:1，在此比例下制得的MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构在实际应用中效果最佳。

步骤S13、将所述第一混合液与第二混合液分别放入60-80摄氏度烘箱中加热；本领域技术人员可以理解的是，只要是能够实现在步骤S15中第一混合液与第二混合液起到的作用，步骤S13并不拘泥于说明书中的撰写顺序或是标号所代表的顺序，只要是在步骤S15之前即可。

所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层为MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构和PMMA的氯苯溶液的混合液的制备方法具体包括：按照10毫克MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构与1毫升PMMA的氯苯溶液的比例混合，超声处理；所述超声处理可以使MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构和PMMA的氯苯溶液的混合液均匀分散。

所述在衬底层上设置MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层具体包括：将MoSe₂/Bi₂Se₃与PMMA的氯苯溶液的混合液旋涂在所述衬底层的介电层上，旋涂速度为2500-3500rpm，优选为3000rpm，持续旋涂时间为30-50秒，优选为40秒；本领域技术人员可以理解的是，旋涂速度以及持续旋涂时间可以根据所需的MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层的厚度来设置。

所述在MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层上设置半导体层具体包括：于4×10^-4帕压强下，在所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层的上，以0.1-0.2埃米/秒的速率蒸镀并五苯，优选为0.1埃米/秒，得到厚度均匀的并五苯半导体层，具有良好的导电性能。

所述步骤S3、在半导体层上设置源极与漏极，具体包括：

利用沉积法在半导体层上沉积器件的源极和漏极，采用金、银、铜、锗、镍等良导体金属材料作为源、漏电极,厚度为20-40nm，源、漏电极材料优选为金，厚度优选为30nm，沟道长度(L)和沟道宽度(W)的比为1:20；在本发明给出的具有较优效果的实施例中，沟道长度(L)为50μm，沟道宽度(W)为1000μm；且本领域技术人员可以理解的是，这一沟道长度与沟道宽度可根据器件的大小、源漏电流、源漏电压的工作需求设置。

下例实施例将进一步说明本发明。

实施例一

将0.05mol的Ph₃Bi与0.0375mol的(PhCH₂)₂Se₂溶解于0.5mL即0.0015mol的油胺，超声处理，制得第一混合液。将0.05mol的MoO₂(acac)₂与0.05mol的(PhCH₂)₂Se₂溶解于0.5mL即0.0015mol油胺中，超声处理，制得第二混合液。将所述第一混合液与第二混合液放入70摄氏度烘箱中加热4分钟。将5毫升的油胺与0.5毫升油酸置于100毫升的三颈圆底烧瓶中，加热，在140摄氏度下保持30分钟后，在强力磁力搅拌和纯净氩气流动条件下除杂。通过配备有针头的注射器将第一混合液快速加入反应器，在280摄氏度下反应5分钟，再通过配备有针头的注射器将第二混合液快速加入反应器，在280摄氏度下反应20分钟，自然冷却至室温，通过超声洗涤目标产物，并用己烷和乙醇溶液离心3次，在70摄氏度下真空干燥后得到MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构。

配置浓度为10毫克/毫升的PMMA的氯苯溶液，再按照10毫克MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构：1毫升PMMA的氯苯溶液的比例将两溶液混合，超声处理3分钟至混合溶液分散均匀。将MoSe₂/Bi₂Se₃与PMMA的氯苯溶液的混合液旋涂在商用的具有100nm厚的二氧化硅介电层的硅栅极的介电层上，旋涂速度为3000rpm，持续旋涂时间为40秒，在120摄氏度下退火40分钟。于4×10^-4帕压强下，在所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层上，以0.1埃米/秒的速率蒸镀并五苯半导体层，并五苯半导体层的厚度为30nm。在并五苯层上沉积制备厚度为30nm的器件的源极和漏极，器件的沟道长度(L)和宽度(W)分别为50μm和1000μm。

实施例二

将0.04mol的Ph₃Bi与0.040mol的(PhCH₂)₂Se₂溶解于0.5mL即0.0015mol的油胺，超声处理，制得第一混合液。将0.06mol的MoO₂(acac)₂与0.04mol的(PhCH₂)₂Se₂溶解于0.5mL即0.0015mol油胺中，超声处理，制得第二混合液。将所述第一混合液与第二混合液放入60摄氏度烘箱中加热5分钟。将3.6毫升的油胺与0.4毫升油酸置于100毫升的三颈圆底烧瓶中，加热，在130摄氏度下保持30分钟后，在强力磁力搅拌和纯净氩气流动条件下除杂。通过配备有针头的注射器将第一混合液快速加入反应器，在270摄氏度下反应6分钟，再通过配备有针头的注射器将第二混合液快速加入反应器，在270摄氏度下反应25分钟，自然冷却至室温，通过超声洗涤目标产物，并用己烷和乙醇溶液离心3次，在70摄氏度下真空干燥后得到MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构。

配置浓度为8毫克/毫升的PMMA的氯苯溶液，再按照10毫克MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构：1毫升PMMA的氯苯溶液的比例将两溶液混合，超声处理3分钟至混合溶液分散均匀。将MoSe₂/Bi₂Se₃与PMMA的氯苯溶液的混合液旋涂在商用的具有100nm厚的二氧化硅介电层的硅栅极的介电层上，旋涂速度为2500rpm，持续旋涂时间为50秒，在100摄氏度下退火50分钟。于4×10^-4帕压强下，在所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层的上，以0.1埃米/秒的速率蒸镀并五苯半导体层，并五苯半导体层的厚度为20nm。在并五苯层上沉积制备厚度为20nm的器件的源极和漏极，器件的沟道长度(L)和宽度(W)分别为50μm和1000μm。

实施例三

将0.06mol的Ph₃Bi与0.035mol的(PhCH₂)₂Se₂溶解于0.5mL即0.0015mol的油胺，超声处理，制得第一混合液。将0.04mol的MoO₂(acac)₂与0.06mol的(PhCH₂)₂Se₂溶解于0.5mL即0.0015mol油胺中，超声处理，制得第二混合液。将所述第一混合液与第二混合液放入80摄氏度烘箱中加热3分钟。将6.6毫升的油胺与0.6毫升油酸置于100毫升的三颈圆底烧瓶中，加热，在150摄氏度下保持60分钟后，在强力磁力搅拌和纯净氩气流动条件下除杂。通过配备有针头的注射器将第一混合液快速加入反应器，在290摄氏度下反应4分钟，再通过配备有针头的注射器将第二混合液快速加入反应器，在290摄氏度下反应15分钟，自然冷却至室温，通过超声洗涤目标产物，并用己烷和乙醇溶液离心3次，在70摄氏度下真空干燥后得到MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构。

配置浓度为12毫克/毫升的PMMA的氯苯溶液，再按照10毫克MoSe₂/Bi₂Se₃异质结构：1毫升PMMA的氯苯溶液的比例将两溶液混合，超声处理3分钟至混合溶液分散均匀。将MoSe₂/Bi₂Se₃与PMMA的氯苯溶液的混合液旋涂在商用的具有100nm厚的二氧化硅介电层的硅栅极的介电层上，旋涂速度为3500rpm，持续旋涂时间为40秒，在140摄氏度下退火30分钟。于4×10^-4帕压强下，在所述MoSe₂/Bi₂Se₃/PMMA层的上，以0.2埃米/秒的速率蒸镀并五苯半导体层，并五苯半导体层的厚度为40nm。在并五苯层上沉积制备厚度为40nm的器件的源极和漏极，器件的沟道长度(L)和宽度(W)分别为50μm和1000μm。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。