一種全碳基神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人工神經(jīng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全碳基神經(jīng)突觸仿生器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的進(jìn)一步等比例縮小，傳統(tǒng)的閃存技術(shù)將達(dá)到尺寸的極限。為進(jìn)一步提高器件的性能，技術(shù)人員開始對新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝進(jìn)行積極的探索。近年來，各種新型的非揮發(fā)性存儲器得到了迅速的發(fā)展。其中，阻變存儲器(RRAM)憑借其結(jié)構(gòu)簡單、微縮能力強(qiáng)、高密度、數(shù)據(jù)保持時間長、可三維集成以及與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容性好等優(yōu)勢，受到業(yè)界越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是極有可能替代靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)、動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)、閃存(Flash)、硬盤驅(qū)動器(HDD)，而成為下一代“通用”存儲器的強(qiáng)有力候選者之一。
[0003]在生物大腦中，神經(jīng)突觸是兩個神經(jīng)元之間相互連接的部分。大量神經(jīng)元通過突觸進(jìn)行相互連接而形成神經(jīng)回路，來實現(xiàn)大腦的學(xué)習(xí)與記憶。因此對突觸的模擬是實現(xiàn)人工智能的重要步驟。在以往的研究中，模擬一個神經(jīng)突觸就需要多個晶體管和電容，而人的大腦中神經(jīng)突觸的數(shù)量多達(dá)1014個，不僅功耗巨大，而且嚴(yán)重影響集成密度。憶阻器的電導(dǎo)能夠隨流經(jīng)電荷量而發(fā)生連續(xù)變化并且其變化能夠在斷電之后保持，這一特性與神經(jīng)突觸的非線性傳輸特性非常相似。利用憶阻器作為神經(jīng)形態(tài)電路中的神經(jīng)突觸有很大的應(yīng)用前景。RRAM的二端口結(jié)構(gòu)以及特有的阻變特性可用于模擬神經(jīng)突觸的非線性傳輸，實現(xiàn)人工神經(jīng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠控制器件尺寸、提高集成密度、實現(xiàn)神經(jīng)突觸的學(xué)習(xí)與記憶功能的全碳基神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法。
[0005]本發(fā)明一方面提供一種全碳基神經(jīng)突觸仿生器件，包括襯底、位于襯底之上的石墨烯底電極、位于底電極之上的石墨烯阻變功能層、以及位于阻變功能層之上的石墨烯頂電極。
[0006]本發(fā)明中，所述襯底可以為本領(lǐng)域常用襯底。
[0007]作為優(yōu)選，襯底為柔性襯底。更為優(yōu)選的，襯底由聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料、金屬陶瓷等材料形成。
[0008]作為優(yōu)選，底電極和頂電極是相互交叉配置的石墨烯帶。
[0009]作為優(yōu)選，石墨烯帶寬度為1?10微米。
[0010]本發(fā)明的另一方面，提供一種全碳基神經(jīng)突觸仿生器件的制備方法，具體步驟為:在襯底上形成石墨烯底電極；在底電極上形成石墨烯阻變功能層；以及在石墨烯阻變功能層上形成石墨烯頂電極。
[0011]本發(fā)明中，所述襯底可以為本領(lǐng)域常用襯底。優(yōu)選為，襯底為柔性襯底。更為優(yōu)選為，襯底由聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料或者金屬陶瓷等材料形成。
[0012]作為優(yōu)選，在襯底上形成石墨烯帶作為底電極，之后在阻變功能層上以與底電極相互交叉的方式形成石墨烯帶作為頂電極。
[0013]作為優(yōu)選，石墨烯帶寬度為1?10微米。
[0014]作為優(yōu)選，采用旋涂方法形成所述氧化石墨烯阻變功能層。
[0015]發(fā)明效果
本發(fā)明采用石墨烯作為器件的兩個電極，以氧化石墨烯作為阻變功能層，巧妙地制備出全碳基的神經(jīng)突觸仿生器件，可以很好的實現(xiàn)對神經(jīng)突觸的學(xué)習(xí)與記憶功能的模擬。同時，該方法簡單、有效、節(jié)約原材料成本，可以顯著的提高集成密度。另外，神經(jīng)突觸仿生器件的尺寸由上、下兩層石墨烯帶的寬度所決定，因此通過調(diào)節(jié)石墨烯帶的寬度可以實現(xiàn)對器件尺寸的精確控制。
【附圖說明】
[0016]圖1是全碳基神經(jīng)突觸仿生器件的俯視圖。
[0017]圖2是全碳基神經(jīng)突觸仿生器件沿A-A '方向的剖面圖。
[0018]圖3是全碳基神經(jīng)突觸仿生器件沿B-B '方向的剖面圖。
[0019]圖4是形成全碳基神經(jīng)突觸仿生器件的流程圖。
[0020]圖5是轉(zhuǎn)移/制備石墨烯的流程圖。
[0021]圖6是形成石墨烯帶的流程圖。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。以下所述實施例是示例性的，為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，這些僅僅是示例，旨在解釋本發(fā)明而不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，本發(fā)明提供了各種特定的工藝和材料的例子，但是正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實現(xiàn)本發(fā)明。除非在下文中特別指出，器件的各部分均可采用本領(lǐng)域公知的工藝和材料實現(xiàn)。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括其他的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0024]以下，根據(jù)所附附圖針對本發(fā)明所涉及的全碳基神經(jīng)突觸仿生器件及其制備方法的一例進(jìn)行說明。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種全碳基神經(jīng)突觸仿生器件，包括襯底101、位于所述襯底101之上的石墨烯底電極102、位于所述石墨烯底電極102之上的石墨烯阻變功能層103、以及位于所述阻變功能層103之上的石墨烯頂電極104。圖1中示出了全碳基神經(jīng)突觸仿生器件的俯視圖。圖2和圖3分別示出了全碳基神經(jīng)突觸仿生器件沿A — A '和B - B ;方向的剖面圖。
[0026]另外，所述襯底101可以為本領(lǐng)域的常用襯底。優(yōu)選為，所述襯底101為柔性襯底。更優(yōu)選為，所述襯底101由聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料、金屬陶瓷等材料形成。
[0027]另外，優(yōu)選為，所述石墨烯底電極102和所述石墨烯頂電極104是相互交叉配置的石墨稀帶。
[0028]另外，優(yōu)選為，所述石墨稀帶寬度為1?10微米。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種全碳基神經(jīng)突觸仿生器件的制備方法。按照圖4至6執(zhí)行制造神經(jīng)突觸仿生器件的以下步驟。
[0030]首先，如圖4所示，在步驟S11中，在襯底101上形成石墨烯底電極102。該襯底101可以是本領(lǐng)域常用襯底，如玻璃襯底、藍(lán)寶石襯底、石英襯底、塑料襯底、硅襯底或者聚萘二甲酸乙二醇酯襯底等。優(yōu)選為是柔性襯底，例如可以是由聚乙烯對苯二酸脂(PET)、聚酰亞胺(PI)、硅橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇脂、硅樹脂等有機(jī)聚合物材料或者金屬陶瓷材料形成的襯底。作為具體的一例，本實施例中選用PI作為襯底101。在形成石墨烯底電極102的步驟S11中，包括步驟S111制備/轉(zhuǎn)移石墨稀和步驟S112形成石墨稀帶。
[0031]在步驟S111中，制備/轉(zhuǎn)移石墨烯。石墨烯的制備方法可以采用目前石墨烯的主要制備方法，如機(jī)械剝離法、化學(xué)剝離法、SiC外延生長法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法等。本實施例中采用目前獲得大面積高質(zhì)量、層數(shù)可控的石墨烯的主要方法即化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯?；瘜W(xué)氣相沉積方法制備石墨烯的方法中可以采用N1、Cu、Pt等低碳溶性金屬作為襯底，本實施例中以銅箔作為襯底。作為具體的一例，如圖5所示