一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件及其制备方法 (Synaptic transistor device based on novel polyimide gate insulating layer and preparation method thereof ) 是由 徐文涛 龚江东 卫欢欢 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明为一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件及其制备方法。所述的人工突触器件结构包括：衬底上分布部分栅绝缘层,栅绝缘层上依次为半导体层和金属层；所述栅绝缘层为掺杂有离子液体的聚酰亚胺类材料,半导体层为聚3-己基噻吩(P3HT)。本发明的突触晶体管器件具有灵敏度高,功耗低,工作电压范围大等优点。(The invention relates to a synapse transistor device based on a polyimide novel gate insulation layer and a preparation method thereof. The artificial synapse device structure comprises: a part of gate insulating layer is distributed on the substrate, and a semiconductor layer and a metal layer are sequentially arranged on the gate insulating layer; the gate insulating layer is made of polyimide materials doped with ionic liquid, and the semiconductor layer is poly-3-hexylthiophene (P3 HT). The synapse transistor device has the advantages of high sensitivity, low power consumption, large working voltage range and the like.)
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及到突触晶体管电子器件。
背景技术
基于冯诺依曼结构的计算体系由于存储与计算模块的分离，在处理海量信息时已无法实现快速精确和智能化，尤其在模式识别及深度学习中暴露出了许多短板。与此同时，人脑的高度智能及强大的计算与处理能力使类脑智能计算受到越来越广泛的关注。
人脑是一个复杂且庞大的神经网络系统，能够并行处理大量非线性数据的同时只消耗非常低的能量。人脑是由近千亿个神经元，每个神经元之间又有上千个神经突触构成的。基于神经网络的神经计算体系，其最基本的信息传递、处理与存储单元即为突触，这为类脑研究提供了直接的研究模型和基础。因此，为能够在硬件水平上实现人脑的记忆、计算、认知等多种复杂功能，小尺寸、低能耗、高灵敏的新型人工突触器件的设计制造是目前最关键的任务。新型人工突触器件是仿人脑计算机中的基本功能单元，用于智能机器人、疑难病症医疗诊断等新兴领域，对推动新一代人工智能的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决有机聚合物突触晶体管器件功耗较大，工作电压范围较小等问题，提供了一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件及其制备方法。该器件将掺杂有离子液体1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([EMIM][TFSI])的聚酰亚胺作为栅绝缘层，并以聚3-己基噻吩(P3HT)作为半导体层材料；制备中，以离子液体[EMIM][TFSI]和PMDA-ODA型聚酰亚胺为绝缘层原料，分别利用旋涂和蒸镀工艺在氧化铟锡导电玻璃衬底上制备衬底/栅绝缘层/半导体层/金属电极结构的三端突触晶体管器件。
本发明的技术方案具体如下:
一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件，所述的人工突触器件结构包括：衬底上分布部分栅绝缘层，栅绝缘层上依次为半导体层和金属层；
所述衬底为玻璃材质；
所述栅绝缘层为掺杂有离子液体的聚酰亚胺类材料，离子液体质量为栅绝缘层质量的5-20％；厚度为2-20微米；
所述半导体层为噻吩类聚合物，厚度为30-100纳米；
所述的金属层为半导体层表面左金属电极和右金属电极，材质均为金；
所述的栅绝缘层的面积为衬底面积的70-90％。
所述的左、右电极水平距离为100-150微米，厚度为80-100纳米。
所述的衬底为石英玻璃、硅片或氧化铟锡导电玻璃。
所述的聚酰亚胺类材料，包括但不限于BPEDA-ODA型聚酰亚胺、PMDA-ODA型聚酰亚胺或BPDA-ODA型聚酰亚胺中的一种；
所述的离子液体包括但不限于1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([EMIM][TFSI])、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM]BF4)、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([EMIM]PF6)中的一种。
所述半导体层为聚噻吩、聚3己基噻吩或聚3溴己基噻吩。
所述的基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将衬底依次经去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗，然后用氮气将衬底表面吹干，放入紫外清洗机中处理15-20分钟；
(2)在手套箱中，将聚酰亚胺前驱体溶液滴加到步骤(1)的衬底上，然后利用匀胶机以500-2000转每分钟的速度旋涂20-40秒，然后将衬底放置加热板上，在150-250度下加热20-40分钟，得到栅绝缘层；
其中，所述的聚酰亚胺前驱体溶液是由离子液体和10-20％质量分数的聚酰胺酸溶液；按照质量比1比10-20的比例混合而成。聚酰胺酸溶液具体为聚(联苯双醚二酐-co-4,4'-二氨基二苯醚)(BPEDA-ODA)酰胺酸溶液、聚(均苯四甲酸二酐-co-4,4'-二氨基二苯醚)(PMDA-ODA)酰胺酸溶液或聚(联苯四甲酸二酐-co-4,4'-二氨基二苯醚)(BPDA-ODA)酰胺酸溶液中的一种；其中BPEDA-ODA酰胺酸溶液中的溶剂为N,N'-二甲基乙酰胺(DMAc)、PMDA-ODA酰胺酸溶液中的溶剂是由N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲苯(xylene)按照体积比4比1混合而成、BPDA-ODA酰胺酸溶液中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)；每2-4平方厘米衬底滴加200-400微升聚酰亚胺前驱体溶液；
(3)将P3HT前驱体溶液滴加到步骤(2)的栅绝缘层上，利用匀胶机以1000-2000转每分钟的速度旋涂20-40秒，然后将衬底放置加热板上，在50-100度下加热5-20分钟，得到空穴传输层；
其中，所述的P3HT前驱体溶液是由氯苯溶剂加入到聚3己基噻吩(P3HT)中，然后搅拌获得，浓度为5-10毫克每毫升；每2-4平方厘米栅绝缘层滴加60-100微升P3HT前驱体溶液；
(4)通过热蒸发技术，在半导体表面得到左右源漏电极，然后去除覆盖在衬底上表面部分区域的栅绝缘层和半导体层，暴露部分衬底当作栅极电极，最终获得完整的基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件；
其中，热蒸发参数为温度控制在40-50度，真空度10-3-10-4帕,沉积速率0.8-1埃/秒，蒸镀时间30-40分钟。
本发明的实质性特点为：
当前技术中，单纯的聚酰亚胺栅绝缘层只含有单一离子：质子。这样的栅绝缘层比电容较小，容易发生漏电现象；而本发明通过将掺杂有离子液体[EMIM][TFSI]的PMDA-ODA型聚酰亚胺作为栅绝缘层，其掺杂一定量的离子液体[EMIM][TFSI]到聚酰亚胺中可以在其内部形成多重离子，这样有利于提高栅绝缘层比电容和扩大工作电压区间范围，从而提高器件的电学性能。制备出具有多重离子导体膜的新型栅极电介质层，具有较大的比电容和较小的漏电流，栅绝缘层整体平均、致密且均匀。在此基础上制备的基于P3HT三端(即薄膜晶体管的栅极、源极和漏极三个端口)突触晶体管采用底栅顶接触结构，栅绝缘层和P3HT半导体之间可形成良好的界面接触。
本发明的有益效果为：
基于离子胶型栅绝缘层的传统三端突触晶体管多采用顶栅顶接触的器件结构，栅绝缘层多采用贴合的方式与半导体层相接触，贴合度较差，容易在二者之间形成间隙。且离子胶型栅绝缘层的电介质常数较小，在大电压刺激下容易发生漏电现象。本发明将离子液体[EMIM][TFSI]和PMDA-ODA酰胺酸溶液混合，利用旋涂工艺制备出具有多重离子导体膜的新型栅极电介质层，具有较大的比电容和较小的漏电流。栅绝缘层整体平均、致密且均匀，在此基础上制备出的底栅顶接触结构的突触晶体管器件具有灵敏度高，功耗低，工作电压范围大等优点。
如附图3所示，这种新型栅绝缘层单位面积比电容在频率为1000赫兹下可超过7微法拉每平方厘米；工作电压可达-50V(附图4所示)；最小能耗低于1飞焦(附图5所示)。
附图说明
图1是基于基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件的结构示意图；
图2是实施例1中得到的聚酰亚胺新型栅绝缘层的扫描电子显微镜图片。
图3是实施例1中得到的聚酰亚胺新型栅绝缘层的电压-电容曲线图。
图4是实施例1中得到的基于基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件的转移曲线图。
图5是实施例1中得到的基于基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件在-0.1V到-1V电压下的电流响应。
具体实施方式
：
下面将结合具体实例对本发明进行具体阐述说明，以下实例有助于相关人员对本发明的研究和思考，但不会对本发明起任何限制作用。
本发明涉及的BPEDA-ODA型聚酰亚胺、PMDA-ODA型聚酰亚胺和BPDA-ODA型聚酰亚胺材料均为公知材料。具体为聚(联苯双醚二酐-co-4,4'-二氨基二苯醚)(BPEDA-ODA)型聚酰亚胺、聚(均苯四甲酸二酐-co-4,4'-二氨基二苯醚)(PMDA-ODA)型聚酰亚胺和聚(联苯四甲酸二酐-co-4,4'-二氨基二苯醚)(BPDA-ODA)型聚酰亚胺。
所述的离子液体[EMIM][TFSI]具体为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
实施例1：
一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件制备方法如下：
(1)将2×2厘米大小，2毫米厚的导电玻璃衬底依次经去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗，然后用氮气将衬底表面吹干，放入紫外清洗机中处理15分钟；
(2)将离子液体[EMIM][TFSI]和12％质量分数的PMDA-ODA酰胺酸溶液(该溶液的溶剂是由N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲苯(xylene)按照体积比4比1混合而成。)按照质量比1比20的比例混合并搅拌均匀，得到淡黄色澄清的PMDA-ODA型聚酰亚胺和离子液体[EMIM][TFSI]的混合溶液。
(3)手套箱中，在4平方厘米步骤(1)的衬底滴加200微升步骤(2)中的PMDA-ODA型聚酰亚胺和离子液体[EMIM][TFSI]的混合溶液，然后利用匀胶机以1500转每分钟的速度旋涂30秒，然后将衬底放置加热板上，在150度下加热30分钟，得到5微米厚的栅绝缘层。
(4)将氯苯溶剂加入P3HT中，然后搅拌均匀，获得浓度为5毫克P3HT/每毫升氯苯的P3HT前驱体溶液。
(5)取100微升步骤(4)获得的P3HT前驱体溶液滴加到步骤(3)的栅绝缘层上，利用匀胶机以1500转每分钟的速度旋涂30秒，然后将衬底放置加热板上，在60度下加热10分钟，得到50纳米厚的高质量空穴传输层。
(6)将掩模版(掩模版左右凹槽面积均为1.5毫米*1毫米，掩膜版总面积5*5毫米，两个凹槽的距离100微米)覆盖在步骤(5)获得的半导体层上表面，并通过热蒸发技术(腔室温度控制在40-50度，真空度4*10-4-5*10-4帕,沉积速率1埃/秒，蒸镀时间30分钟)在凹槽部分的薄膜表面沉积100纳米厚度和左右间距为150微米的金电极，利用刀片去除衬底上表面部分区域的栅绝缘层和半导体层，去除区域为1×1厘米大小的矩形，位置为衬底上表面左下角边缘处，暴露出来的区域作为栅电极，从而获得完整的基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件。
性能测试与实验结果分析：
利用半导体分析仪Keithley 4200A-SCS对(6)中的两端人工突触进行电学性能测试和分析并得到以下重要结果(测试环境在氮气封闭的手套箱内，氮气纯度大于99％，环境温度20-25摄氏度)：
实施例1中基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件具有良好的电学性能和超低功耗。如图2所示，利用旋涂工艺制备的聚酰亚胺新型栅绝缘层在30万倍的SEM图片中展示出均匀平整的表面形貌，可与P3HT半导体层之间形成良好的界面接触。在频率为1000赫兹下单位比表电容超过7微法拉每平方厘米(图3所示)；利用这种新型栅绝缘层制备的底栅顶接触的三端突触晶体管工作电压可拓宽至-50V,远超过传统离子胶型突触晶体管(图4所示)；而这种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管的最小功耗仅为0.84飞焦，已达到生物水平。
实施例2：
一种基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件制备方法如下：
(1)将2×2厘米大小，2毫米厚的导电玻璃衬底依次经去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗，然后用氮气将衬底表面吹干，放入紫外清洗机中处理15分钟；
(2)将离子液体[EMIM][TFSI]和12％质量分数的PMDA-ODA酰胺酸溶液(该溶液的溶剂是由N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲苯(xylene)按照体积比4比1混合而成。)按照质量比1比10的比例混合并搅拌均匀，得到淡黄色澄清的PMDA-ODA型聚酰亚胺和离子液体[EMIM][TFSI]的混合溶液。
(3)手套箱中，在4平方厘米步骤(1)的衬底滴加350微升步骤(2)中的PMDA-ODA型聚酰亚胺和离子液体[EMIM][TFSI]的混合溶液，然后利用匀胶机以1000转每分钟的速度旋涂30秒，然后将衬底放置加热板上，在150度下加热20分钟，得到10微米厚的栅绝缘层。
(4)将氯苯溶剂加入P3HT中，然后搅拌均匀，获得浓度为5毫克P3HT/每毫升氯苯的P3HT前驱体溶液。
(5)取70微升步骤(4)获得的P3HT前驱体溶液滴加到步骤(3)的栅绝缘层上，利用匀胶机以1000转每分钟的速度旋涂30秒，然后将衬底放置加热板上，在60度下加热10分钟，得到70纳米厚的高质量空穴传输层。
(6)将掩模版(掩模版左右凹槽面积均为1.5毫米*1毫米，掩膜版总面积5*5毫米，两个凹槽的距离100微米)覆盖在步骤(5)获得的半导体层上表面，并通过热蒸发技术(腔室温度控制在40-50度，真空度4*10-4-5*10-4帕,沉积速率1埃/秒，蒸镀时间30分钟)在凹槽部分的薄膜表面沉积80纳米厚度和左右间距为100微米的金电极，利用刀片去除衬底上表面部分区域的栅绝缘层和半导体层，去除区域为1×1厘米大小的矩形，位置为衬底上表面左下角边缘处，暴露出来的区域作为栅电极，从而获得完整的基于聚酰亚胺新型栅绝缘层的突触晶体管器件。
实施例3：
其他步骤同实施例1，不同之处为步骤(2)中的聚酰胺酸溶液由PMDA-ODA酰胺酸溶液替换为BPDA-ODA酰胺酸溶液，其中，BPDA-ODA酰胺酸溶液中的溶剂是N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
上述实施案例和测试结果是为了给相关领域研究人员提供一定的研究基础。其他任何未作出实质性的研究改变，包括修改，简化，替换等一系列简单的实验条件改变，均应受到本发明的保护范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。