氧化物双电层薄膜晶体管及其仿生突触应用

发布时间：2020-04-06 03:45

【摘要】：离子电子学是一门新兴的交叉学科,它涵盖了电化学、凝聚态物理、微电子甚至生物科学等学科内容。离子电子学强调离子与电子之间的相互作用或者离子对电子的调控作用。电解质栅控技术是离子电子学研究中的一种典型技术手段,通过电解质栅控可以设计一些新原理信息器件,如场控超导、铁磁相变以及Mott相变等器件。双电层晶体管采用离子导体电解质材料作栅介质层,是一种典型的离子调控型电子器件。由于双电层晶体管中独特的离子栅控行为,它十分适合用作仿生突触器件。论文首先研制了氧化物双电层薄膜晶体管,并在晶体管上发现了不同的工作模式,然后进一步探索了双电层薄膜晶体管在仿生突触器件中的应用。本论文主要内容如下:(1)采用等离子体增强化学气相沉积技术制备了磷硅玻璃纳米颗粒薄膜(PSG),该薄膜表现出了极高的室温质子电导率(~9×10~(-4)S/cm)和极大的双电层电容(~5μF/cm~2)。采用PSG电解质薄膜作为栅介质,并采用低成本的磁控溅射工艺制备了底栅型和共平面栅型氧化物双电层薄膜晶体管,这些器件表现了良好的晶体管性能。比如,底栅型自组装ITO薄膜晶体管的工作电压仅为1.5V,迁移率达到7cm~2V~(-1)s~(-1),开关比达到1×10~7,亚阈值斜率仅为~80mV/decade。(2)研制的IGZO双电层薄膜晶体管可以在赝二极管工作模式下进行操作。将底栅电极作为调控端,当调控端偏压由0.1V降低至-0.9V时,在±1V电压下赝二极管的整流比从~2增大到5×10~4。在1V的电压调控范围内,赝二极管的整流比可以从~2增大到5×10~4。在此赝二极管上,成功模拟了突触响应行为,如突触后电流极化/去极化行为、抑制性短程塑性行为和适应性行为等。(3)在PSG电解质上发现了与传统热氧化方法制备的SiO_2完全不同的电容充放电行为,PSG电解质电流充电后其电势呈现了独特的短时程衰减特性,这种迟豫放电行为源自电解质中的质子迁移特性。进一步基于这种独特的电容充放电过程,设计了一种具有双共平面栅结构的IWO双电层薄膜晶体管,并成功实现了对Hodgkin-Huxley突触膜电位响应的模仿,如静息电位、兴奋性/抑制性突触后电位、膜电位的极化/去极化、动作电位的激发等。
【图文】：

第一章 绪论绝缘栅型场效应晶体管等同于金属-氧化物-半导体场效应晶体管，并不加以区分自从 1959 年贝尔实验室成功研制出首个基于硅基的场效应晶体管，基于硅/二氧化硅体系的金属-氧化物-半导体场效应晶体管便深深的影响着人类的信息与通信技术。图 1.1（a）给出了典型的 MOSFET 的结构示意图。图中 MOSFET 器件采用重掺杂的 p 型硅片作为衬底和沟道，采用热氧化的二氧化硅作为栅绝缘层通过在源漏区域掺杂形成两个中掺杂的n型区。这样在源漏极之间就形成了n-p结构，通过栅极电压的电场效应调控 p 型硅沟道中产生反型层从而实现源漏极之间的导通。

图 1.2 典型 OTFT 的电学性能。（a）OTFT 截面示意图；（b）转移曲线；（c）输出曲线。OTFT 的工作原理类似于 MOSFET。图 1.2（a）给出了图 1.1（b）中 OTFT对应的截面图。如图所示，源极接地，在栅极上施加栅极电压（VGS）调控沟道导电性，在漏极上施加漏极电压（VDS）读取沟道电流（IDS）。图 1.2（b），（c）分别给出了一个典型的 n 型氧化物半导体薄膜晶体管的饱和区转移曲线和输出曲线。其中，转移曲线是固定源漏电压，扫描栅极电压读取源漏电流；而输出曲线则是固定栅极电压为一初始值，扫描源漏电压读取源漏电流，然后逐步增大栅极电压。如图 1.2（b）所示，当栅极电压低于开启电压（VON> VGS）时，氧化物沟道无法感应出载流子，，沟道处于完全关断状态，源漏电流很小，此时称之为关断区。当栅极电压增大至超过开启电压但仍低于阈值电压（VON< VGS< VTH）时，氧化物沟道表面感应出少量载流子，源漏电流由扩散电流主导，因而源漏电流随着栅极电压呈指数变化关系： ~ [ （ ） ] （1.1）其中，kB和 T 分别为玻尔兹曼常数和绝对温度；此时沟道处于部分开启状态，称
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TN321.5

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本文编号：2615959