【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于神經形態晶體管器件制備，具體涉及一種可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件。
技術介紹
1、神經形態晶體管器件是神經形態計算中的核心組成部分，這類器件通常用以模擬神經元和突觸之間的動態行為，完成信息的存儲和處理功能。相比于傳統的馮·諾依曼架構，基于底層突觸器件的神經形態計算架構具有低功耗、高并行度和高效處理感知任務的優勢，這使得其在處理復雜的認知計算和模式識別等任務時表現尤為突出。其中雙電層突觸晶體管的離子遷移過程與生物突觸非常相似，這些優勢使它成為開發仿生感知系統的理想的數據處理節點。然而，目前報道的具有雙電層的突觸晶體管大多是有機材料，但有機材料的器件穩定性和壽命較差。金屬氧化物材料是一種可替代的方法，基于該薄膜材料制備的神經形態晶體管可在相同使用環境下，獲得更優異的電氣性能和器件穩定性。
2、金屬氧化物材料因其優越的電學性能、寬帶隙、環境穩定性以及透明特性，近年來在新型電子器件的研究中備受關注。其中，氧化銦鎵鋅（igzo）、氧化鋯（zrox）材料已被廣泛應用于薄膜晶體管（tft）中，用于顯示面板和柔性電子設備。然而，傳統的金屬氧化物半導體器件通常采用濺射、化學氣相沉積等高溫和高真空微納工藝進行制備。這些工藝的制備步驟復雜、成本高昂，且難以實現與柔性襯底的良好的兼容性和大規模器件制備。
3、隨著柔性電子技術的迅速發展，傳統半導體制造工藝在柔性化、輕量化和低成本需求方面面臨重重挑戰。柔性全印刷工藝作為一種新興的制造技術，通過噴墨打印、點膠等方法，在室溫、常壓下將功能性材料直接
技術實現思路
1、本專利技術的目的是開發一種可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件，旨在通過創新的制造工藝與材料選擇，解決當前神經形態計算和柔性電子器件領域面臨的成本高昂、工藝復雜、以及大規模集成難度高的問題。
2、為實現上述專利技術目的，本專利技術采用了如下技術方案：
3、本專利技術首先提供了一種可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件，從下往上，依次為聚酰亞胺（pi）薄膜基底、金屬銀（ag）導電層、氧化鋯（zrox）柵介質層、非晶氧化銦鎵鋅（a-igzo）金屬氧化物溝道層、金屬銀（ag）導電層，整體晶體管采用垂直結構設計。其中，神經形態晶體管的柵極（g）為該晶體管的端口信號輸入端，用于模擬生物突觸的突觸前膜。源極（s）與漏極（d）之間的電導用于模擬生物突觸權重。
4、本專利技術其次提供了上述柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的全印刷制備方法，具體的制備方法包含以下步驟：
5、（1）對聚酰亞胺（pi）薄膜基底進行uv/o3處理2分鐘，將pi基底放入微電子打印機采用銀墨水噴墨打印，并進行梯度升溫處理，得到金屬銀導電層；其中，銀墨水由乙酸銀、氫氧化銨、甲酸和2,3-丁二醇組成，墨水粘度在2-10cp，粒徑小于100nm。
6、（2）對打印了銀電極的聚酰亞胺（pi）薄膜基底進行uv/o3處理5分鐘，采用微電子打印機的噴墨功能進行氧化鋯（zrox）柵介質層的打印。
7、（3）在zrox柵介質層上打印igzo溝道層。
8、（4）采用步驟（1）的銀墨水在igzo溝道層上打印金屬銀（ag）導電層，溝道的長寬比為1:10，構成源極和漏極。
9、（5）將樣品進行激光切割，將電極分別與引線連接，制作成多個分立器件。
10、進一步地，所述步驟（1）的銀墨水中，乙酸銀在氫氧化銨/甲酸混合溶液中的濃度為0.5g/ml，2,3-丁二醇的加入體積為氫氧化銨/甲酸混合溶液體積的10%，氫氧化銨/甲酸混合溶液由氫氧化銨和甲酸按體積比3:1組成。
11、打印機參數設置如下：打印電壓37v，基板溫度30°c，噴頭孔徑為20μm，噴頭溫度30°c，打印的點間距設置為35μm，相鄰的墨滴會彼此融合以便噴墨時形成連續的直線。
12、所述的梯度升溫處理為，先90°c加熱至液膜變成銀色，然后130℃加熱10分鐘，最后150°c加熱30分鐘以上。
13、所述銀電極長1.5mm寬0.5mm，引出的柵電極長0.5mm寬0.2mm。
14、進一步地，所述步驟（2）中，氧化鋯（zrox）柵介質層的前驅體墨水為：氧氯化鋯（zrocl4）、乙腈和乙二醇，將氧氯化鋯溶于配比為3.5：6.5的乙腈和乙二醇中配置成濃度為0.4mol/l的前驅體墨水，然后在空氣中劇烈攪拌2小時并用0.45μm聚四氟乙烯（ptfe）過濾器進行過濾。墨水粘度在2-10cp，粒徑小于100nm。
15、打印機參數設置如下：打印電壓37v，基板溫度30°c，噴頭孔徑為20μm，噴頭溫度30°c，打印的點間距設置為30μm。隨后在熱臺上使用250℃固化樣品5分鐘。這個過程需要重復兩到四次，以便達到所需要的厚度（200-400nm）和良好的絕緣性。然后，在常壓條件下，在300℃的溫度下對zrox薄膜進行熱臺退火2小時；低溫退火將有助于突觸特性的實現。
16、與傳統的顆粒型氧化鋯墨水相比，采用以氧氯化鋯為原材料的前驅體墨水更不易產生分層效應，不易堵塞噴頭，有利于延長噴頭的使用壽命。與常見的其他氧化鋯前驅體相比，氧氯化鋯在溶解性、分散性、耐溫性方面都具體有較大優勢，具體比較如表1所示。對于溶劑的選擇來說，乙二醇相對其他醇類價格較低，因此更適合用于大規模柔性神經形態器件的制造。而乙醇雖然價格也較低，但它具有很強的揮發性，不利于長時間的工業化生產，且對薄膜的性能與均一性會有較大影響。
17、表1?常見的幾種氧化鋯前驅體材料的性質比較
18、。
19、對于退火溫度而言，300℃以上的溫度會對器件的遲滯性能產生削弱，在400度時遲滯幾乎消失，因此采用300℃作為本專利技術的氧化鋯退火溫度，由于退火溫度的降低，退火時間也應相應增加，由常規所需要的1h退火時間延長到2h。
20、進一步地，步驟（3）中，igzo前驅體墨水為：硝酸銦水合物（in(no3)3·xh2o）、硝酸鎵水合物（ga(no3)3·xh2o）和硝酸鋅水合物（zn(no3)2·xh2o），二甲氧基乙醇（2-methoxyethanol），三種金屬硝酸鹽的摩爾比為9：1：2，金屬離子總摩爾濃度為0.2mol/l；墨水粘度在2-10cp，粒徑小于100nm。該墨水配置后需在空氣中劇烈攪拌2小時并用0.45μm聚四氟乙烯(ptfe)過濾器進行過濾。
21、打印機參數設置如下：打印電壓37v，基板溫度30°c，噴頭孔徑為20μm，噴頭溫度30°c。打印的點間距設置為30μm。
22、該步驟選用in：zn：ga=9:2:1，增加了in的含量占比，in的增加會提高電導率，因為in能有效地提供本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件，其特征在于，所述神經形態晶體管器件為垂直結構設計，從下至上依次為聚酰亞胺薄膜基底、底部金屬銀導電層、氧化鋯柵介質層、非晶氧化銦鎵鋅金屬氧化物溝道層、頂部金屬銀導電層；其中，底部金屬銀導電層引出柵極，為晶體管的端口信號輸入端，用于模擬生物突觸的突觸前膜；位于非晶氧化銦鎵鋅金屬氧化物溝道層上的頂部金屬銀導電層分別為源極和漏極，所述源極與漏極之間的電導用于模擬生物突觸權重；所述柔性金屬氧化物神經形態晶體管的各層均采用噴墨打印。
2.權利要求1所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，所述噴墨打印的打印電壓37V，基板溫度30°C，噴頭孔徑為20μm，噴頭溫度30°C。
4.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，所述步驟（1）的銀墨水中，乙酸銀在氫氧化銨/甲酸混合溶液中的濃度為0.
5.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，步驟（1）所述的梯度升溫處理為，先90°C加熱至液膜變成銀色，然后130℃加熱10分鐘，最后150°C加熱30分鐘以上。
6.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中，氧化鋯柵介質層的前驅體墨水由氧氯化鋯、乙腈和乙二醇組成，乙腈和乙二醇的體積比為3.5:6.5，氧氯化鋯的摩爾濃度為0.4mol/L。
7.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中，還包括噴墨打印后在250℃固化5分鐘，重復噴墨打印，以達到所需要的厚度。
8.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，步驟（3）中，IGZO前驅體墨水為：硝酸銦水合物、硝酸鎵水合物、硝酸鋅水合物和二甲氧基乙醇組成，金屬離子的總摩爾濃度為0.2mol/L；銦、鎵、鋅離子的摩爾比為9:1:2。
9.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，步驟（3）中，打印后進行退火處理，退火溫度為300℃，退火時間為1h。
10.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，步驟（1）和（4）打印的點間距為35μm，步驟（2）和（3）打印的點間距為30μm。
...【技術特征摘要】
1.一種可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件，其特征在于，所述神經形態晶體管器件為垂直結構設計，從下至上依次為聚酰亞胺薄膜基底、底部金屬銀導電層、氧化鋯柵介質層、非晶氧化銦鎵鋅金屬氧化物溝道層、頂部金屬銀導電層；其中，底部金屬銀導電層引出柵極，為晶體管的端口信號輸入端，用于模擬生物突觸的突觸前膜；位于非晶氧化銦鎵鋅金屬氧化物溝道層上的頂部金屬銀導電層分別為源極和漏極，所述源極與漏極之間的電導用于模擬生物突觸權重；所述柔性金屬氧化物神經形態晶體管的各層均采用噴墨打印。
2.權利要求1所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，所述噴墨打印的打印電壓37v，基板溫度30°c，噴頭孔徑為20μm，噴頭溫度30°c。
4.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，所述步驟（1）的銀墨水中，乙酸銀在氫氧化銨/甲酸混合溶液中的濃度為0.5g/ml，2,3-丁二醇的加入體積為氫氧化銨/甲酸混合溶液體積的10%，氫氧化銨/甲酸混合溶液由氫氧化銨和甲酸按體積比3:1組成。
5.根據權利要求2所述的可大規模制備的全印刷柔性金屬氧化物神經形態晶體管器件的制備方法，其特征在于，步驟（1）...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李晟，張俊，朱偉艷，王子涵，郭昶，
申請(專利權)人：常州大學，
類型：發明
國別省市：
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