基于柔性氧化物双电层晶体管的人造突触器件

Artificial synaptic devices provide a new solution for developing neuromorphic system, becoming a hot topic in the field of intelligent information devices. In addition, flexible electronics is one of the main developing trends. However, it remains challenge of traditional devices to mimic synaptic behaviors and the fabrication by low-temperature process is difficult. This project proposes to fabricate IGZO-based electric-double layer transistors with coplanar lateral multi-gate structure on flexible plastic substrate using one-step nickel shadow mask technique by room-temperature RF sputtering and solution-processed chitosan electrolyte is used as dielectric. Synaptic behaviors are mimicked based on the flexible devices. Transistor performances and influences of lateral capacitance of chitosan electrolyte and bending stress are investigated. The working mechanism of such flexible oxide transistors will be demonstrated. The devices will exhibit a low operation voltage of < 2V and a large current on/off ratio of 10^6 and good bending stability. Moreover, a series of testing methods are explored to mimic synaptic memory, learning, paired pulse facilitation and information integration behaviors. Working mechanisms for mimicking such synaptic behaviors based on lateral proton electric-double layer modulation are revealed. This project will provide material and device basis for developing flexible energy-efficient synaptic devices.

人造突触器件可为神经形态系统的开发提供全新的技术途径，成为智能信息器件领域的研究热点，同时柔性化是信息器件主要发展趋势。然而，常规电子器件不适于模拟突触行为，且其制备过程不能满足柔性电子低温工艺。本项目拟在柔性塑料衬底上，以旋涂工艺制备的壳聚糖电解质膜作为栅介质，结合室温磁控溅射技术，单步掩模法制备具有共平面侧栅结构的多侧栅铟镓锌复合氧化物（IGZO）薄膜晶体管，并模拟生物突触行为。研究柔性侧栅IGZO薄膜晶体管的电学特性及壳聚糖膜侧向电容、器件弯曲应力等对其的影响，揭示柔性侧栅氧化物晶体管的工作机理。期望获得工作电压小于2V，开关比大于10^6，弯曲稳定性好的柔性氧化物双电层晶体管。提出一套合适的测试方法，实现对突触双脉冲易化、记忆、学习和时空信息整合等行为的模拟，阐明基于侧向质子双电层调控的突触行为仿生工作机理。本项目的研究将为柔性低功耗新型突触电子器件的研制提供初步材料和器件基础。

探究场效应晶体管中电子、光子和离子耦合原理及其在突触电子器件的应用成了几年来最为关注的课题之一。本项目采用壳聚糖作为栅介质，制备了柔性氧化物双电层晶体管，实现了对突触双脉冲易化、记忆学习和时空信息整合等行为的模拟。揭示了柔性双电层晶体管中栅介质、半导体沟道中的电子、光子和离子耦合机理。.首先，在柔性塑料衬底上，以壳聚糖电解质膜为栅介质，制备了共平面侧栅结构的多侧栅氧化物双电层晶体管。壳聚糖侧向电容随着频率下降不断增大，在0.1 Hz频率，电容达到~2.3 μF/cm2。而且平行电极间的距离对电容曲线基本无影响。无底下导电层的侧栅双电层晶体管的电流开关比接近10^7，工作电压小于2.0V。这类侧栅双电层晶体管工作机理是栅介质中离子在侧向电场作用下直接迁移到沟道/电解质界面形成双电层电容，对沟道电子具有很强的调控作用。.其次，基于上述双电层晶体管模拟了兴奋性突触基本特性，如EPSC、PPF、LTP、时空信息整合等，以及抑制性突触行为和光响应学习记忆功能。侧栅电极施加(1.0 V, 50 ms) 的前突触脉冲，后突触沟道电流响应过程类似于生物突触的EPSC；施加一对双脉冲时，后一脉冲引起的EPSC幅值大于前一脉冲引起的EPSC幅值；施加一连串的大电压脉冲刺激，EPSC幅值随着刺激个数的增加而增加，撤去脉冲栅压后，EPSC并未衰减回初始值。将栅极和源极短路接地，给漏电极施加兴奋性脉冲刺激后，漏电流反而下降，类似于IPSC。在紫外光照下，后一周期的Iphoto生长高于前一周期，说明光响应晶体管具有学习记忆能力。.最后，建立了具有普适性的双电层晶体管栅介质/半导体沟道中的电子、光子和离子耦合机理及其模拟生物突触特性的缓慢极化和电化学反应工作机理模型。并验证了弯曲、机械应力对柔性双电层晶体管特性和突触特性基本无影响。.柔性氧化物双电层晶体管具有低功耗、柔性弯曲特性好，有望用于柔性穿戴电子，柔性传感等；基于柔性氧化物双电层晶体管模拟神经突触行为，为柔性低功耗新型突触电子器件的研制提供必要的实验依据和器件基础。