氧化物双电层薄膜晶体管中的突触响应机理研究

Ionic liquid gated electric-double-layer (EDL) transistors are a kind of ionic modulation devices. The channel conductance is modulated by ion migration within the ionic liquid electrolyte. Such process is quite similar to the operation mode of a biological synapse. In this project, solid state inorganic electric-double-layer transistors are proposed as artificial synapses for artificial neural network and neural morphological computation applications. SiO2 nanogranular films are deposited by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The microstructures of the SiO2 nanogranular films are studied.The proton migration behavior under the external electrical field are analyzed. Then, in-plane gate ZnO-based thin-film transistors are fabricated on the SiO2 nanogranular films by sputtering with metal mask at room temperature. The transistor performances are measured and the protonic/electronic interfacial polarization and interfacial electrochemistry effects are analyzed. Biological synaptic functions, such as excitatory postsynaptic currents (EPSC), paired-pulse facilitation (PPF), synaptic plasticity, dynamic logic operation and spatiotemporally correlated signal processing, etc, are mimicked on the proposed ZnO-based synaptic transistor. The dynamic response and operation principle for the ZnO-based EDL synaptic transistor are disclosed. The achievements of this project would provide a new route for the applications of oxide thin-film transistors in neuron bionics.

离子液双电层晶体管是一类离子调控型器件，它是通过离子液双电层栅介质中离子的移动来实现其对沟道电导率的调控，这一过程类似于生物突触的工作模式。面向人造神经网络和神经形态计算应用，本项目提出了一种基于全固态无机双电层晶体管的新型人造突触器件。采用等离子体增强化学气相沉积技术制备SiO2纳米颗粒膜，研究该颗粒膜的微观结构及其在外电场作用下的质子迁移行为；然后在该颗粒膜上通过室温单步掩膜工艺研制具有共平面栅结构的ZnO基薄膜晶体管，测试器件性能，揭示器件质子/电子界面极化及界面电化学规律；在研制的ZnO基薄膜晶体管上，研究兴奋性突触后电流、双脉冲易化、突触塑性及多端动态逻辑运算和时空信息整合等生物突触响应特性，揭示双电层突触晶体管的动态响应规律和工作原理。项目的研究成果将为氧化物薄膜晶体管在神经仿生电子学中的应用提供新的思路。

关于脑和心智的研究已经成为当代科学最大挑战之一，人脑中有~10^11个神经元和~10^15个突触链接。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。目前相关研究正在成为信息领域的研究热点，正在成为人工智能研究的一个重要分支。针对这一研究背景，我们制备了具有室温质子导电特性的固态双电层电解质薄膜，双电层电容高达2μF/cm^2、质子电导率高达1×10^(-4)S/cm。以此为基础，我们通过磁控溅射技术结合单步掩膜工艺研制了底栅型、共平面栅型、侧栅型氧化物薄膜晶体管，器件工作电压低于1.5V、电流开关比达10^6以上、亚阈值斜率小于100mV/dec、场效应迁移率达24cm^2/Vs以上。结合工艺特色和器件操作模式的特点设计了具有多侧栅结构的氧化物薄膜晶体管，改善了器件的电学性能。将获得的氧化物双电层薄膜晶体管与适当阻值的电阻串联，获得了具有低工作电压的电阻负载型反相器；并采用不同阈值电压的晶体管设计了耗尽负载型反相器。基于双电层效应，将氧化物薄膜晶体管作为人造突触器件，通过在栅电极上施加电压脉冲刺激，从而在单一器件上实现了一些生物突触响应。通过单一电压脉冲的刺激，实现了兴奋性突触后电流(EPSC)响应行为；通过连续两个脉冲电压的刺激，获得了双脉冲异化(PPF)响应行为，并研究了PPF行为随电压脉冲时间间隔的影响规律；通过施加不同频率的栅电压脉冲刺激，实现了器件突触滤波(Synaptic filter)；进一步在栅极和漏极上时间具有一定时间间隔的电压脉冲刺激，实现了尖峰时间依赖可塑性(STDP)学习法则；在两个栅电极上施加电压脉冲的刺激，成功实现了对突触整合(Synaptic Integration)行为的模仿，在两个突触前端上同时施加电压脉冲的刺激，实现了对突触超线性/亚线性整合行为的模仿，将第三个侧栅电极作为调制端，施加调制电压脉冲刺激，进而实现了对突触非线性整合行为的调制，通过电压脉冲的刺激，在多栅突触器件上实现了动态逻辑运算，包括逻辑“与”和“或”。研究表明，具有双电层效应的固态电解质在氧化物薄膜晶体管中有着独特的应用价值，该器件也为神经形态系统的设计提供了新的思路。这些为我们今后继续在相关领域开展相关工作奠定了坚实的基础。