饒智超, 汪秀梅, 劉亞倩, 李恩龍, 俞礽堅(jiān), 陳惠鵬, 張國(guó)成,2*
(1. 福州大學(xué) 平板顯示技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350102;2. 福建工程學(xué)院 微電子技術(shù)研究中心, 福建 福州 350108)
過(guò)去幾十年里,基于馮·諾依曼架構(gòu)的數(shù)字計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算方面取得了巨大的成功,帶領(lǐng)人們走進(jìn)了信息時(shí)代。但隨著集成電路領(lǐng)域的飛速發(fā)展,受限于存儲(chǔ)器和處理器物理上獨(dú)立的特性,基于馮·諾依曼架構(gòu)的數(shù)字邏輯計(jì)算即將陷入瓶頸,不能再滿足未來(lái)的計(jì)算需求[1]。不同于馮·諾依曼架構(gòu)下存算分離的邏輯電路,人腦可以以驚人的效率高速且并行地工作[2]。在這樣的啟發(fā)下,模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn),以圖實(shí)現(xiàn)同時(shí)執(zhí)行信息的學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)和傳輸?shù)榷囗?xiàng)任務(wù)[3-4]?;谏窠?jīng)形態(tài)計(jì)算的人工神經(jīng)形態(tài)器件可分為人工突觸和神經(jīng)元器件兩大類(lèi),這當(dāng)中人工突觸就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)改變突觸的權(quán)重,人工突觸器件可以有效地進(jìn)行信號(hào)的傳遞,這使其得到了廣泛的研究[5-7]。
到目前為止,已經(jīng)有各種基于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的人工突觸器件得到了開(kāi)發(fā),包括兩端的電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器[8]、相變存儲(chǔ)器[9]、憶阻器[10]以及三端的突觸晶體管[11-13]等。不幸的是,兩端的突觸器件雖可以對(duì)生物突觸的行為進(jìn)行有效地模擬,但由于其信號(hào)在傳輸與處理上存在時(shí)間差,因而不能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息傳遞與學(xué)習(xí)[14]。而三端結(jié)構(gòu)的突觸晶體管憑借著柵極的作用,能夠在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中進(jìn)行調(diào)控、處理,可以表現(xiàn)出與生物突觸更為接近的特性。此外,基于有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)的人工突觸器件由于其具有低溫加工、可大面積溶液法制造的特點(diǎn),并且有著良好的機(jī)械柔性和生物兼容性,受到了極大的關(guān)注[15-17]。
有機(jī)薄膜晶體管要實(shí)現(xiàn)對(duì)生物突觸功能的模擬,關(guān)鍵在于如何調(diào)控溝道的載流子濃度,引起溝道電導(dǎo)的變化(對(duì)應(yīng)于生物突觸權(quán)重的變化)。而在有機(jī)薄膜晶體管中,器件的載流子傳輸可以通過(guò)修飾半導(dǎo)體層和絕緣層之間的界面得到有效調(diào)節(jié)[18-19],因此基于界面處理來(lái)改善突觸性能的突觸晶體管得到了開(kāi)發(fā)[20]。Dai等利用有機(jī)薄膜晶體管的界面電荷捕獲效應(yīng),通過(guò)在有機(jī)半導(dǎo)體 /絕緣層界面插入PAN增加界面處的電荷捕獲效果,成功制備了有機(jī)光突觸晶體管[21]。Wan等利用低溫原子層沉積的方法,在生成的Al2O3絕緣層中產(chǎn)生更多的氧空位缺陷,以達(dá)到在電壓刺激下捕獲載流子的目的,從而實(shí)現(xiàn)突觸行為的模擬[22]。因此,通過(guò)合適的半導(dǎo)體/絕緣層界面處理,可以有效地控制半導(dǎo)體層/絕緣層界面對(duì)溝道載流子的捕獲,賦予有機(jī)薄膜晶體管以突觸特性。
本文制備了以P型有機(jī)半導(dǎo)體IDT-BT為有源層的有機(jī)薄膜晶體管,通過(guò)對(duì)絕緣層進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的N2/O2等離子處理(0, 5, 10, 20 min),探究了等離子處理對(duì)有機(jī)薄膜晶體管突觸性能的影響。我們?cè)诮?jīng)過(guò)等離子處理的OTFT上成功地模擬出了興奮性后突觸后電流(EPSC)、雙脈沖易化(PPF)、長(zhǎng)程可塑性(LTP)等生物突觸的基本特征。同時(shí),通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),更長(zhǎng)的等離子處理時(shí)間會(huì)給SiO2絕緣層引入更多的羥基,造成更大程度的電子捕獲,進(jìn)而表現(xiàn)出了更好的突觸可塑性。
本實(shí)驗(yàn)所采用的有源層材料為P型半導(dǎo)體共聚物IDT-BT(Mw< 100 k,多分散指數(shù) < 3),來(lái)自于Derthon Optoelectronic Materials Sci. Tech. Co., Ltd。在沉積之前,IDT-BT以5 mg/mL的比例溶解于氯苯溶液中,并靜置在恒溫加熱臺(tái)上以60 ℃加熱溶解2 h。
有機(jī)薄膜晶體管的電學(xué)性能測(cè)試以及突觸行為模擬等均采用安捷倫Keysight B2902A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行。接觸角的測(cè)試采用的是Kino SL200KS設(shè)備。
本文制備了基于底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜晶體管。重?fù)诫s的硅片作為基底,同時(shí)用作柵極,其上覆蓋有厚度為100 nm的致密二氧化硅層作為絕緣層使用。硅片分別在丙酮、異丙醇以及去離子水中進(jìn)行清洗,再用高純度的氮?dú)獯蹈伞V?,?duì)清洗后的硅片進(jìn)行不同時(shí)間的N2/O2等離子處理(0, 5, 10, 20 min),其中等離子處理的N2流量和O2流量分別為322 mL/min和138 mL/min,電壓為620 V,電流為200 mA,射頻頻率13.56 MHz。接著,通過(guò)旋涂工藝在處理后的硅片上沉積IDT-BT有機(jī)半導(dǎo)體薄膜(旋涂的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,時(shí)間為60 s)。旋涂操作完成后,再將硅片放置于100 ℃的加熱臺(tái)進(jìn)行10 min的加熱退火以完成半導(dǎo)體層的制備。最后,通過(guò)掩膜版以真空熱蒸發(fā)的方式在半導(dǎo)體層上蒸鍍上50 nm厚的金,完成源、漏電極的制備。
在傳統(tǒng)有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管中,通常希望絕緣層可以有較小的表面粗糙度、盡可能少的界面陷阱密度,以減少載流子在半導(dǎo)體層/絕緣層界面處被捕獲的概率,提高電荷傳輸效率,從而得到穩(wěn)定的電學(xué)性能。但對(duì)于有機(jī)突觸晶體管而言,半導(dǎo)體層/絕緣層界面處被捕獲的電荷,如果能以緩慢的速度釋放,就能夠?qū)е聞?dòng)態(tài)變化的溝道電流,這就非常類(lèi)似于生物突觸權(quán)重的變化。換言之,在外界刺激下,器件可以展現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的溝道電導(dǎo)(對(duì)應(yīng)于生物突觸權(quán)重),就極有可能模擬出生物突觸的行為。
本次實(shí)驗(yàn)制備的基于底柵頂接觸的有機(jī)薄膜晶體管如圖1所示,其中絕緣層為SiO2,半導(dǎo)體層為P型材料IDT-BT。為了探究界面捕獲對(duì)于有機(jī)薄膜晶體管突觸性能的改變和影響,我們對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行了5,10,20 min的等離子處理,以對(duì)比它們之間電學(xué)性能以及突觸特性的差異。
圖1 有機(jī)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic structure of the organic thin film transistor
圖2(a)為絕緣層未處理及等離子處理0, 5, 10, 20 min的有機(jī)薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。從圖中可以看出,四者之間的開(kāi)關(guān)比差異并不大,但經(jīng)過(guò)等離子處理的晶體管的閾值電壓有向右偏的趨勢(shì)。而在圖2(b)的雙掃回滯曲線中,4個(gè)器件顯示出了較大的區(qū)別,經(jīng)過(guò)等離子處理的晶體管的曲線展現(xiàn)出了比未處理的晶體管更加明顯的遲滯特性,形成了更大的記憶窗口,并且隨著等離子處理時(shí)間的增加,窗口的范圍也在增加。此外,我們對(duì)等離子處理20 min的薄膜晶體管進(jìn)行了連續(xù)5次的雙掃(圖2(c)),曲線保持著較為一致的記憶窗口,體現(xiàn)了穩(wěn)定的遲滯特性。
圖2 不同等離子處理時(shí)間的有機(jī)薄膜晶體管的(a)轉(zhuǎn)移曲線和(b)雙掃回滯曲線;(c)等離子處理20 min器件的連續(xù)5次雙掃回滯曲線。Fig.2 (a) Transfer curves and (b) double sweep hysteresis curves of organic thin film transistors with different plasma treatment time; (c) Five successive double sweep hysteresis curves of the device with plasma treatment for 20 min.
等離子處理給該有機(jī)薄膜晶體管帶來(lái)了更大遲滯的原因,在于其給絕緣層界面引入了更大數(shù)量的羥基。我們對(duì)4種處理情況下的SiO2絕緣層進(jìn)行了接觸角測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。在未處理的情況下,去離子水與絕緣層的接觸角為44.807°,而在經(jīng)過(guò)5 min等離子處理之后,接觸角發(fā)生了明顯減小,下降到32.099°。而隨著等離子時(shí)間的增加,處理10,20 min的絕緣層的接觸角下降得更多,處理20 min的SiO2的接觸角僅為19.252°,絕緣層表面的親水性得到了大幅提升。這證明了通過(guò)不同時(shí)間的等離子處理,SIO2表面的羥基數(shù)量得到了顯著提升。
圖3 去離子水在不同等離子處理時(shí)間的SiO2表面的接觸角圖。(a)未處理;(b)5 min;(c)10 min;(d)20 min。Fig.3 Contact angle diagram of deionized water on SiO2 surface at different plasma treatment time. (a) Untreated; (b) 5 min; (c) 10 min; (d) 20 min.
對(duì)于常規(guī)的有機(jī)薄膜晶體管,絕緣層表面過(guò)多的羥基會(huì)影響載流子的傳輸,增大器件的遲滯現(xiàn)象。因此往往科研人員會(huì)設(shè)法降低絕緣層表面的羥基數(shù)量,如通過(guò)OTS處理使甲硅烷基鍵合到SiO2表面,產(chǎn)生一層堅(jiān)固的自組裝層,減小SiO2表面的羥基,提高晶體管性能[23]。但對(duì)于有機(jī)突觸晶體管則不然,更大數(shù)量的羥基將有利于突觸功能的實(shí)現(xiàn)。如圖4(a)所示,當(dāng)給晶體管柵極施加正電壓時(shí),受到電場(chǎng)的作用,半導(dǎo)體層中的電子會(huì)向下方的半導(dǎo)體/絕緣層界面移動(dòng)。而絕緣層表面的羥基對(duì)于半導(dǎo)體溝道中的電子具有捕獲能力[24],因此即使此時(shí)將正電壓去除或施加負(fù)電壓,部分的電子依然會(huì)被羥基捕獲不能立刻回到溝道中(圖4(b))。而這些電子被捕獲在基團(tuán)中不僅無(wú)法與溝道中的空穴復(fù)合,同時(shí)還會(huì)在自身周?chē)袘?yīng)出空穴,這就導(dǎo)致了溝道中空穴濃度的增加。對(duì)于多子為空穴的P型半導(dǎo)體而言,其溝道電流(電導(dǎo))會(huì)得到增加,導(dǎo)致閾值電壓的右偏以及記憶窗口的增加。這種捕獲并緩慢釋放載流子的趨勢(shì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)突觸行為的模擬十分重要。
圖4 器件工作機(jī)理。(a)施加正柵壓時(shí);(b)電壓消失時(shí)。Fig.4 Working mechanism. (a) When a positive gate voltage is applied; (b) When the voltage disappears.
圖5(a)是生物突觸的示意圖,它由突觸前膜、突觸間隙以及突觸后膜組成,是在兩個(gè)神經(jīng)元之間傳遞神經(jīng)脈沖的結(jié)構(gòu)。當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)到達(dá)突觸前神經(jīng)元時(shí),突觸囊泡當(dāng)中的神經(jīng)遞質(zhì)會(huì)在Ca2 +離子的作用下從突觸前膜中釋放出來(lái)。然后化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)突觸間隙進(jìn)行擴(kuò)散,之后與突觸后膜上的受體進(jìn)行結(jié)合,并最終在突觸后神經(jīng)元中誘導(dǎo)興奮性突觸后電流(Excitatory Post Synaptic Current,EPSC)[25]。而如圖5(b)所示,我們通過(guò)施加幅度為20 V,脈沖寬度為60 ms的電壓脈沖對(duì)4種處理的有機(jī)晶體管分別進(jìn)行了EPSC響應(yīng)的模擬??梢园l(fā)現(xiàn),對(duì)于沒(méi)有等離子處理過(guò)的晶體管,并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的EPSC響應(yīng)。盡管該晶體管的雙掃曲線具備一定的回滯特性,但那是在電壓作用下絕緣層界面缺陷所導(dǎo)致的。當(dāng)電壓消失后,界面缺陷沒(méi)能對(duì)載流子形成有效捕獲,載流子會(huì)迅速回到溝道中。因此,當(dāng)所給脈沖消失之后,該器件的電流就急速衰減回接近初始狀態(tài)的水平,表明其并不具有突觸特性。而進(jìn)行過(guò)等離子處理的3個(gè)晶體管,都可以看到明顯的EPSC響應(yīng),并且隨著等離子時(shí)間的增加,電流的衰減速度逐漸減緩,衰減之后的電流大小有明顯提高。這是因?yàn)楦L(zhǎng)時(shí)間的等離子處理引入了更多的羥基產(chǎn)生了更多的捕獲,進(jìn)而造成了更慢的電流衰減。
圖5 (a)生物突觸示意圖;(b)不同等離子處理時(shí)間的有機(jī)薄膜晶體管的EPSC響應(yīng)。Fig.5 (a) Schematic diagram of a biological synapse; (b) EPSC responses of organic thin film transistors with different plasma treatment time.
除了EPSC響應(yīng),突觸的可塑性也是非常重要的一個(gè)特征,它對(duì)于學(xué)習(xí)、記憶以及信息加工至關(guān)重要??伤苄愿鶕?jù)持續(xù)時(shí)間可以分為短程可塑性(Short Term Plasticity, STP)以及長(zhǎng)程可塑性(Long Term Plasticity,LTP)。
雙脈沖易化(Paired Pulse Facilitation,PPF)是STP的一種典型形式。它指的是當(dāng)神經(jīng)元快速且連續(xù)接受到兩個(gè)刺激時(shí),可以觀察到第二脈沖引起的EPSC(A2)大于第一脈沖引起的EPSC(A1)的現(xiàn)象。我們通過(guò)施加連續(xù)兩個(gè)電壓脈沖(20 V,60 ms,脈沖間隔時(shí)間為30 ms)在經(jīng)過(guò)等離子處理的3個(gè)晶體管上模擬出了同樣的行為。與先前的EPSC響應(yīng)的情況一樣,經(jīng)過(guò)20 min等離子處理的晶體管展現(xiàn)出了最顯著的PPF現(xiàn)象(圖6(a))。A2與A1的比值被定義為PPF指數(shù)。該器件的PPF指數(shù)可以達(dá)到187%,而處理5 min和10 min的晶體管分別為164%和175%。器件的這種PPF現(xiàn)象是因?yàn)槭┘拥谝粋€(gè)脈沖后絕緣層界面羥基所捕獲的電子還沒(méi)有完全釋放,第二個(gè)脈沖就已經(jīng)來(lái)到,導(dǎo)致了更多電子被捕獲,進(jìn)而提升了第二次的EPSC響應(yīng)。進(jìn)一步地,我們測(cè)試了不同脈沖間隔時(shí)間Δtpre下器件的PPF指數(shù)變化,如圖6(b)所示。隨著Δtpre的增加,三者的PPF指數(shù)變化表現(xiàn)出一致的指數(shù)式下降規(guī)律,這同樣與生物突觸一致。
圖6 (a)等離子處理20 min的有機(jī)薄膜晶體管的PPF響應(yīng);(b)不同等離子處理時(shí)間的有機(jī)薄膜晶體管的PPF指數(shù)與Δtpre的關(guān)系。Fig.6 (a) PPF response of the organic thin film transistor treated with plasma for 20 min; (b) PPF index of organic thin film transistors with different plasma treatment time as a function of Δtpre.
相比STP,突觸的長(zhǎng)程可塑性(LTP)可以在外界刺激下將權(quán)重的變化保持相對(duì)持久的時(shí)間,這也是長(zhǎng)期記憶以及學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。本文同樣對(duì)等離子處理的有機(jī)薄膜晶體管進(jìn)行了長(zhǎng)程可塑性的研究。我們給器件施加了連續(xù)30個(gè)電壓脈沖(20 V,60 ms,脈沖間隔時(shí)間為30 ms)以觀察EPSC的變化。如圖7(a)展示了等離子處理20 min的晶體管經(jīng)過(guò)30個(gè)正脈沖后的響應(yīng)。顯然,隨著脈沖數(shù)的增加,EPSC響應(yīng)也在不斷增加,而在脈沖結(jié)束之后,其EPSC緩慢衰減,并且保持在比較高的水平,表現(xiàn)出類(lèi)似于長(zhǎng)程記憶的特性。圖7(b)展示了3個(gè)器件在30個(gè)脈沖后的EPSC水平。三者的EPSC的峰值以及記憶水平都相比之前少脈沖時(shí)有顯著提升,同時(shí),絕緣層界面具有更多羥基的晶體管依然展現(xiàn)出更高的累積響應(yīng),體現(xiàn)了等離子處理對(duì)該有機(jī)薄膜晶體管長(zhǎng)程可塑性的調(diào)控。
圖7 (a)對(duì)等離子處理20 min的有機(jī)薄膜晶體管施加30個(gè)突觸前脈沖的EPSC響應(yīng);(b)不同等離子處理時(shí)間的有機(jī)薄膜晶體管在30個(gè)突觸前脈沖刺激后的EPSC響應(yīng)。Fig.7 (a) EPSC response of 30 presynaptic spikes to the organic thin film transistor treated with plasma for 20 min; (b) EPSC response of organic thin film transistors with different plasma treatment time after 30 presynaptic spikes stimulation.
在對(duì)比了3個(gè)器件的長(zhǎng)程可塑性后,我們又對(duì)它們施加了連續(xù)20個(gè)為正脈沖(5 V,60 ms)20個(gè)負(fù)脈沖(-5 V,60 ms),以模擬突觸的長(zhǎng)程增強(qiáng)( Long-Term Potentiation,LTP)和長(zhǎng)程抑制(Long-Term Depression,LTD)。如圖8所示,我們提取了每個(gè)電壓脈沖后的響應(yīng)電流的峰值,以觀察突觸器件在更新權(quán)重過(guò)程中的線性度。良好的線性度意味著更大、更穩(wěn)定的電導(dǎo)變化,這對(duì)于神經(jīng)計(jì)算至關(guān)重要[26]。從圖8可以看出,20 min等離子處理的器件的線性度相比處理5,10 min的器件有了明顯提升,這說(shuō)明更久的等離子處理時(shí)間,有助于改善有機(jī)薄膜晶體管的線性度,提升了在神經(jīng)計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
圖8 施加20個(gè)正脈沖和20個(gè)負(fù)脈沖后不同等離子處理時(shí)間的有機(jī)薄膜晶體管的增強(qiáng)和抑制特性Fig.8 Potentiation and depression properties of organic thin film transistors with different plasma treatment time after applying 20 positive pulses and 20 negative pulses
本文通過(guò)對(duì)SiO2絕緣層進(jìn)行等離子處理,成功地在以IDT-BT為有源層材料的有機(jī)薄膜晶體管上實(shí)現(xiàn)了突觸行為模擬,包括EPSC、PPF、LTP等典型突觸特征。同時(shí),通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間的等離子處理的有機(jī)薄膜晶體管,探究了絕緣層界面羥基數(shù)量對(duì)于有機(jī)薄膜晶體管突觸行為的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,更長(zhǎng)時(shí)間的等離子處理,給絕緣層界面引入了更多的羥基,基于羥基對(duì)于電子的捕獲,處理時(shí)間為20 min的有機(jī)薄膜晶體管在器件遲滯、衰減時(shí)間以及突觸可塑性上都優(yōu)于處理時(shí)間為5 min和10 min的晶體管。我們的工作證明了對(duì)絕緣層進(jìn)行等離子處理有助于提升有機(jī)半導(dǎo)體的突觸性能。