研究背景
过去几十年来,半导体工业遵循了摩尔定律不断向前发展,然而传统硅基CMOS器件微型化面临了物理极限问题。在此背景下,国际上提出了一些新概念、新原理器件和系统,以促进摩尔定律失效后信息技术的发展。其中,类脑神经形态器件和系统极具潜力,近年来正在成为信息领域的一个研究热点,将成为今后人工智能发展的有力补充和增长点,促进微电子技术的进步。近年来,欧、美、日等主要经济体提出了各自的脑研究计划,将极大地推动信息技术的进步。IBM、微软、谷歌、百度等企业也大力推进人工智能技术的应用。在此背景下,我国也推出了脑科学与类脑智能的“中国脑计划项目十五年计划(2016-2030)”。因此,类脑神经形态器件和系统方面的研究具有重要的现实意义。
作为“新一代电子器件基础元件”而备受科研人员关注的氧化物薄膜晶体管(Thin film transistors: TFTs)因其具有高电子迁移率、高可见光透过率和低温制备工艺等优点,在新一代平板显示、便携式传感以及生物电子学器件等领域具有极大的应用价值。2003年,美国科学家Wager在Science上发表了透明ZnO TFTs的相关研究成果,提出了“透明电子学”的概念。2004年,日本科学家Hosono等人在Nature上报道了首款全透明IGZO TFTs,其优异性能引起了学术界和工业界的广泛关注。近年来,氧化物薄膜晶体管的研究得到了快速发展,并且在新一代显示产品中得到应用。值得指出的是,由于受传统栅介质静电调控原理的限制,器件的工作电压较高,且通常不具备适应性学习行为。因此需要采用一些新的功能材料及新的器件结构,降低器件的工作电压,才能实现器件的类脑智能行为。近年来,国际上对类脑突触晶体管器件作了一些研究,新的突触响应和学习行为被不断报道,彰显了该研究领域的巨大潜力。
图1 主要研究方向
研究方向
1. 氧化物双电层薄膜晶体管(EDL TFT)
离子液电解质中存在大量离子,在外电场的作用下,离子液电解质中的离子将在离子液/电极界面上聚集,并在电极一侧诱导产生符号相反,电荷总量相同的高浓度载流子。这样,在离子液电解质/电极界面上形成了一个双电层,这一双电层电容值一般高达1~500µF/cm2,可以诱导产生的电荷密度高达>1013/cm2,图2所示为双电层形成机理简图。而对于传统栅介质而言(以Al2O3为例),100nm厚的致密Al2O3而言,其电容值仅为~100 nF/cm2,且随着厚度的增加,电容迅速减小,而随着厚度的减小容易造成器件漏电流的增加,影响器件稳定性和可靠性。由于双电层界面上极强的离子/电子耦合效应,它们在场效应晶体管中对导电沟道有着极强的静电调控能力,因此双电层晶体管的工作电压一般较小(2V)。
图2 离子液电解质界面双电层(EDL)形成机理图
2. 氧化物双电层薄膜晶体管的仿生突触应用
人脑中有~1011个神经元,这些神经元组成了~1015个突触连接。突触结构是神经元间发生联系的部位,是人脑学习和记忆的基本单元,得益于人脑中超大量的并行突触计算及突触塑性,人脑的计算模式非常可靠,并有极强的纠误能力。对人脑突触计算及神经信息处理模式的模仿,是实现人工神经形态计算的关键,将极大地推动信息技术的发展。利用双电层晶体管的离子/电子耦合过程,将施加于栅电极上的电压脉冲作为前神经元兴奋信号,沟道中产生的瞬间沟道电流作为后神经元兴奋的产生,沟道电流的大小被类比为突触连接的强度,从而在单个晶体管器件上实现了对生物神经突触塑性、记忆和学习等功能的模仿,并可以在单个晶体管上实现双脉冲易化(PPF)及时空信息整合等生物突触功能,为人工神经形态系统的设计提供一个全新的解决方案。
图3 氧化物突触晶体管结构
3. 氧化物双电层神经元晶体管
传统薄膜晶体管通常采用一个底柵(或顶柵)电极实现对沟道导电性能的调控,在这种器件结构中,栅电极对沟道导电性能的调控通过直接垂直耦合的方式实现。2004年,人们提出了基于SOI的双栅、三栅薄膜晶体管,从而通过增加栅电极的电容耦合效应来改善对沟道导电能力的控制。上世纪90年代,国外学者提出了一种全新的多柵晶体管结构,即神经元晶体管(Neuron FETs或vFETs)。这种晶体管由多个输入栅极和一个浮栅电极组成,器件可以对多个输入信号进行加权运算,当得到的加权和超过一定阈值时,才能将晶体管开启,由于这种器件的结构和功能及工作方式非常类似于人工神经元模型,故被命名为“神经元晶体管”。我们将双电层效应与神经元晶体管有机结合,设计具有低工作电压的氧化物神经元双电层薄膜晶体管。
4. 氧化物双电层晶体管在低工作电压逻辑电路中的应用
将具有低工作电压的氧化物双电层薄膜晶体管与具有适当阻值的电阻串联,获得电阻负载型反相器;制作具有不同阈值电压的氧化物双电层薄膜晶体管,将两个双电层薄膜晶体管串联,获得耗尽负载型反相器。在反相器电路上获得各类逻辑操作,包括“或”、“与”、“或非”、“与非”等;通过晶体管阈值电压的调控,实现反相器电路性能的改善和平衡噪音容限的获得。