某有機突觸晶體管的制備與仿生測試分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24316某有機突觸晶體管的制備與仿生測試分析案例 19402第1章有機突觸晶體管的制備 1291481.1實驗儀器 1167241.1.1蒸鍍機 1144691.1.2旋涂機 2173001.1.3半導(dǎo)體分析儀 3113111.1.4接觸角測試儀 45061.2制備過程 528041.2.1硅襯底前期處理 5259581.2.2制備半導(dǎo)體有源層 5308761.2.4真空蒸發(fā)蒸鍍金電極 53907第2章有機突觸晶體管的仿生測試 7293512.1有機突觸晶體管的電學(xué)性能 7189172.1.1轉(zhuǎn)移特性曲線 765542.1.2開關(guān)電流比 8238352.1.3二氧化硅絕緣層接觸角測試 886812.2有機突觸晶體管的突觸行為模擬 10286702.2.1單脈沖響應(yīng) 1043342.2.2雙脈沖響應(yīng) 11108842.2.4多脈沖響應(yīng) 14第1章有機突觸晶體管的制備1.1實驗儀器1.1.1蒸鍍機實驗采用BOX-RH400型真空蒸發(fā)鍍膜機，用于金電極的制備。BOX-RH400型真空蒸發(fā)鍍膜機實物圖如圖3-1所示。圖3-1BOX-RH400型真空蒸發(fā)鍍膜機實物圖1.1.2旋涂機本次實驗采用的旋涂機為SC-1B型勻膠機。該儀器主要用于源極材料、絕緣半導(dǎo)體層材料的旋涂。SC-1B型勻膠機通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，從而達到均勻調(diào)速的效果。此外，SC-1B型勻膠機可實現(xiàn)分別設(shè)置轉(zhuǎn)速和勻膠時間。圖3-2為SC-1B型勻膠機實物圖。圖3-2SC-1B型勻膠機1.1.3半導(dǎo)體分析儀實驗采用KeysightB2902A型半導(dǎo)體測試儀，該儀器為電學(xué)性能測試儀器，在實驗中用于測試有機突觸晶體管的參數(shù)并繪制出特性曲線。圖3-3為KeysightB2902A型半導(dǎo)體測試儀實物圖。圖3-3KeysightB2902A型半導(dǎo)體測試儀實物圖1.1.4接觸角測試儀接觸角的測試采用的是KinoSL200KS設(shè)備。圖3-3KinoSL200KS1.2制備過程本次實驗設(shè)計的有機突觸晶體管制備主要分為硅襯底前期處理、制備半導(dǎo)體有源層、真空蒸發(fā)蒸鍍金電極三個部分。1.2.1硅襯底前期處理1．切割硅片取厚度為100nm的硅片，切割成尺寸為1.5×1.5cm的薄片。2．清洗硅片硅片清洗主要利用有機溶劑來去除硅片表面的顆粒物及油漬。將二氧化硅基片依次在丙酮、異丙醇、去離子水中清洗，并通過氮氣槍吹干。1.等離子處理對清洗后的硅片進行不同時間的N2/O2等離子處理（0、5、10、20分鐘），其中等離子處理的N2流量和O2流量分別為322ml/min和138ml/min，電壓為620V，電流為200mA，射頻頻率11.56MHZ。1.2.2制備半導(dǎo)體有源層1.配置IDT-BT溶液取5mgIDT-BT于試劑瓶中，加入氯苯充分溶解。2.旋涂法制備有機半導(dǎo)體層將硅片放置于SC-1B勻膠機指定位置，滴滿配置好的IDT-BT溶液，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1000r/min，時間為60s。旋涂后，硅片表面呈墨綠色。再將硅片放置于加熱臺上，在100℃下退火10min。1.2.4真空蒸發(fā)蒸鍍金電極1.裝配掩膜版將硅片裝配于掩膜版中。2.真空蒸發(fā)蒸鍍金電極加入金顆粒，將裝配好的掩膜版放于蒸鍍機中，抽真空后采用真空蒸發(fā)法制備金電極。蒸鍍的金的厚度為50nm，速率為0.3A/s。圖3-6有機突觸晶體管實物

第2章有機突觸晶體管的仿生測試2.1有機突觸晶體管的電學(xué)性能2.1.1轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線即當(dāng)漏極電壓保持不變時，漏極電流在柵極電壓的變化下發(fā)生變化所得到的曲線[18]。通過I-V測量，能夠繪制出輸出特性曲線與轉(zhuǎn)移特性曲線，并從中得到各種參數(shù)值。因此輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線對于分析場效應(yīng)晶體管的性能來說，是至關(guān)重要的。圖2（a）為絕緣層未處理的以及等離子處理5分鐘、10分鐘、20分鐘的有機薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。從中可以看出，四者之間的開關(guān)比差異并不大，但經(jīng)過等離子處理的晶體管的閾值電壓有向右偏的趨勢。而在圖2（b）的雙掃回滯曲線中，四個器件則顯示出了較大的區(qū)別，經(jīng)過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間的增加，窗口的范圍也在增加。此外，我們對等離子處理20分鐘的薄膜晶體管進行了連續(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。2.1.2開關(guān)電流比開-關(guān)電流比（ION/IOFF）即為場效應(yīng)晶體管開狀態(tài)電流與關(guān)狀態(tài)電流的比值[19]。場效應(yīng)晶體管對于電流的調(diào)控能力可通過其開-關(guān)電流比來體現(xiàn)。此外，開-關(guān)電流比是一個相對的參數(shù)。該值的大小和測試時施加的源漏電壓和柵極電壓的大小有關(guān)。從中可以看出，四者之間的開關(guān)比差異并不大，但經(jīng)過等離子處理的晶體管的閾值電壓有向右偏的趨勢。2.1.3二氧化硅絕緣層接觸角測試等離子處理給該有機薄膜晶體管帶來了更大遲滯的原因，在于其給絕緣層界面引入了更大數(shù)量的羥基。我們對四種處理情況下的SIO2絕緣層進行了接觸角測試，測試結(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42.807°，而在經(jīng)過5分鐘等離子處理之后，接觸角發(fā)生了明顯地減小，下降到32.099°。而隨著等離子時間的增加，處理10分鐘、20分鐘的絕緣層的接觸角下降的更多，處理20分鐘的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。這就證明了通過不同時間的等離子處理，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間的SiO2表面的接觸角圖。（a）未處理（b）5分鐘（c）10分鐘（d）20分鐘Fig.3ContactanglediagramofdeionizedwateronSiO2surfaceatdifferentplasmatreatmenttime.(A)Untreated(b)5minutes(c)10minutes(d)20minutes對于常規(guī)的有機薄膜晶體管，絕緣層表面過多的羥基會影響載流子的傳輸，增大器件的遲滯現(xiàn)象。因此往往科研人員會設(shè)法降低絕緣層表面的羥基數(shù)量，如通過OTS處理使甲硅烷基鍵合到SiO2表面，產(chǎn)生一層堅固的自組裝層，減小SiO2表面的羥基，提高晶體管性能[23]。但對于有機突觸晶體管則不然，更大數(shù)量的羥基將有利于突觸功能的實現(xiàn)。接下來我們具體闡述絕緣層表面羥基數(shù)量對于突觸器件性能的影響。如圖4（a）所示，當(dāng)我們給晶體管柵極施加正電壓時，受到電場的作用，半導(dǎo)體層中的電子會向下方的半導(dǎo)體/絕緣層界面移動。而絕緣層表面的羥基對于半導(dǎo)體溝道中的電子具有捕獲能力[24]，因此即使此時將正電壓去除或施加負(fù)電壓，部分的電子依然會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中不僅無法與溝道中的空穴復(fù)合，同時還會在自身周圍感應(yīng)出空穴，這就導(dǎo)致了溝道中空穴濃度的增加。對于多子為空穴的P型半導(dǎo)體而言，其溝道電流（電導(dǎo)）會得到增加，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對于實現(xiàn)突觸行為的模擬十分重要。圖4器件工作機理（a）施加正柵壓時（b）電壓消失時Fig.4Workingmechanism(a)Whenapositivegatevoltageisapplied(b)Whenthevoltagedisappears2.2有機突觸晶體管的突觸行為模擬在完成有機突觸晶體管的制備工作后，即可開始測試不同狀態(tài)下有機突觸晶體管的響應(yīng)特性。測試之前先將制備好的硅片磨掉一個角，然后裝配在半導(dǎo)體測試儀上。通過測試儀上的顯微鏡放大硅片直至可以再電腦上看到清晰的金質(zhì)電極，在硅片上畫一個圈將一對源極和漏極與周圍的硅片區(qū)分開，將測試儀的探頭分別對準(zhǔn)劃出來的金質(zhì)源極和漏極，再將第三個探頭對準(zhǔn)磨掉一個角的位置，該位置即為有機突觸晶體管的柵極。固定源漏電壓，掃描柵壓，測量源漏間的電流，即可得到有機突觸晶體管的轉(zhuǎn)移曲線。再分別對有機突觸晶體管施加單個脈沖、雙脈沖以及多個脈沖，測試在不同脈沖下有機突觸晶體管的響應(yīng)。2.2.1單脈沖響應(yīng)對有機突觸晶體管柵極施加一個20V脈沖寬度為300ms的脈沖，再對源極和漏極施加一個20V脈沖寬度為300ms的讀脈沖，測量有機突觸晶體管的源漏電流IDS，如圖4-3（a）所示。從圖中可以看出，單脈沖響應(yīng)的衰減曲線類似于指數(shù)函數(shù)。通過一個函數(shù)模擬衰減函數(shù)，如圖4-3（b）所示。圖中紅色曲線的函數(shù)為I=I_∞+Aexp(-t/τ)可以得到衰減系數(shù)τ=2.29ms，其衰減系數(shù)相較于其他突觸器件較高。產(chǎn)生這一狀況的原因是量子點是殼核結(jié)構(gòu)，對電子的捕獲能力較強，電子被量子點捕獲后恢復(fù)的時間較長，因此衰減速度慢[21]。改變脈沖的寬度，取不同脈沖寬度下源漏電流的最高值，如圖4-3（c）所示。由圖可知，隨著脈沖寬度不斷增加，單脈沖響應(yīng)不斷增強。而如圖5（b）所示，我們通過施加幅度為20V，脈沖寬度為60ms的電壓脈沖對四種處理的有機晶體管分別進行了EPSC（奮性突觸后電流）響應(yīng)的模擬?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于沒有等離子處理過的晶體管，并沒有產(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，界面缺陷沒能對載流子形成有效捕獲，載流子會迅速回到溝道中。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。而進行過等離子處理的三個晶體管，都可以看到明顯的EPSC響應(yīng)，并且隨著等離子時間的增加，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。這正如前文所描述的，是因為更長時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）不同等離子處理時間的有機薄膜晶體管的EPSC響應(yīng)Fig.5(a)Schematicdiagramofabiologicalsynapse(b)EPSCresponsesoforganicthinfilmtransistorswithdifferentplasmatreatmenttimeab圖4-2有機突觸晶體管的單掃、雙掃響應(yīng)圖2.2.2雙脈沖響應(yīng)對雙脈沖易化（PairedPulseFacilitation,，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)接受到兩個刺激時，可以觀察到第二脈沖的引起EPSC（A2）大于第一脈沖引起的EPSC（A1）的現(xiàn)象。我們通過施加連續(xù)的兩個電壓脈沖（20V，60ms，脈沖間隔時間為30ms）在經(jīng)過等離子處理的三個晶體管上模擬出了同樣的行為。和先前的EPSC響應(yīng)的情況一樣，經(jīng)過20分鐘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)可以達到187%，而處理5分鐘和10分鐘的晶體管分別為164%和175%。器件的這種PPF現(xiàn)象是因為施加第一個脈沖后絕緣層界面羥基所捕獲的電子還沒有完全釋放，第二個脈沖就已經(jīng)來到，導(dǎo)致了更多電子被捕獲，進而提升了第二次的EPSC響應(yīng)。進一步地，我們測試了不同脈沖間隔時間△tpre下器件的PPF指數(shù)變化，如圖6（b）所示。隨著△tpre的增加，三者的PPF指數(shù)變化表現(xiàn)出一致地指數(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分鐘的有機薄膜晶體管的PPF響應(yīng)（b）不同等離子處理時間的有機薄膜晶體管的PPF指數(shù)與△tpre的關(guān)系4對有機突觸晶體管柵極施加兩個20V、脈沖寬度以及脈沖間隔均為300ms的脈沖，再對有機突觸晶體管源極和漏極施加一個同樣的讀取雙脈沖，測量有機突觸晶體管的源漏電流IDS，如圖4-4（a）所示。第一個脈沖產(chǎn)生的初始響應(yīng)電流約為20nA，而第二個脈沖產(chǎn)生的初始響應(yīng)電流約為30nA。改變兩個脈沖之間的脈沖寬度，取第二個脈沖響應(yīng)與第一個脈沖響應(yīng)的比值的百分比為縱坐標(biāo)，可得圖4-4（b）。隨著脈沖寬度不斷增加，百分比不斷減小，即兩次脈沖產(chǎn)生的初始響應(yīng)電流不斷接近。由圖4-4（a）所示，對有機突觸晶體管施加雙脈沖時產(chǎn)生了雙脈沖易化現(xiàn)象[21]。突觸的雙脈沖易化現(xiàn)象對于人腦處理類似于聲音、圖像等具有時序的信息來說非常重要，其具體表現(xiàn)為當(dāng)突觸連續(xù)收到兩個脈沖信號時，對第二個信號產(chǎn)生的響應(yīng)要強于對第一個信號產(chǎn)生的響應(yīng)。而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是對有機突觸晶體管施加第一個脈沖后，電子被量子點捕獲，未全部排出后便施加第二個脈沖，此時量子點內(nèi)的電子數(shù)量高于未施加脈沖時量子點內(nèi)的電子數(shù)量，因此雙脈沖響應(yīng)中第二個脈沖的響應(yīng)要比第一個脈沖響應(yīng)更高，如圖4-4（a）所示。隨著脈沖間隔不斷增加，恢復(fù)的電子越來越多，第二個脈沖的響應(yīng)與第一個脈沖的響應(yīng)也越來越接近。當(dāng)脈沖間隔達到1800ms時兩個脈沖響應(yīng)基本相同，如圖4-4（b）所示。ab圖4-4雙脈沖響應(yīng)圖2.2.4多脈沖響應(yīng)對有機突觸晶體管柵極施加十個20V、脈沖寬度以及脈沖間隔均為300ms的脈沖，對源極和漏極施加同樣的十個讀取多脈沖，測量有機突觸晶體管的源漏電流IDS，如圖4-5（a）所示。由圖可知，在對有機突觸晶體管施加多個脈沖時，有機突觸晶體管的響應(yīng)隨著脈沖數(shù)量的增加不斷增大。將脈沖的數(shù)量逐漸增加到20、30、40個，測量有機突觸晶體管的源漏電流IDS，只取響應(yīng)的衰減部分為縱坐標(biāo)，如圖4-5（b）所示。取圖4-5（b）中不同脈沖個數(shù)響應(yīng)電流的最高點與當(dāng)前時間響應(yīng)電流的比值的百分比為縱坐標(biāo)，可得圖4-5（c）。由圖4-5（c）可知，隨著脈沖數(shù)量的增多，電流的衰減越來越少，達到飽和時所剩下的電流百分比越來越大，即訓(xùn)練次數(shù)的增多，有機突觸晶體管可記憶的內(nèi)容也隨之增加，且在一定時間后達到飽和，這一特性與突觸的記憶過程十分相似，隨著輸入信號不斷積累，突觸的連接強度不斷增大，這一過程就是得到的信息在人腦中鞏固形成記憶的過程[22]。當(dāng)柵壓為20V時，隨著時間增加，響應(yīng)電流不斷增大。當(dāng)柵壓由正20V改為-20V時，隨著時間的增加，響應(yīng)電流不斷減小，如圖4-5（d）所示。響應(yīng)電流由大到小轉(zhuǎn)變的這一過程模仿了突觸中由長程興奮轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程抑制的過程。相比起STP，突觸的長程可塑性（LTP）可以在外界刺激下將權(quán)重的變化保持相對持久的時間，這也是長期記憶以及學(xué)習(xí)地基礎(chǔ)。本文同樣對等離子處理的有機薄膜晶體管進行了長程可塑性的研究。我們給器件施加了連續(xù)的30個電壓脈沖（20V，60ms，脈沖間隔時間為30ms）以觀察EPSC的變化。如圖7（a）展示了等離子處理20分鐘的晶體管經(jīng)過30個正脈沖后的響應(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)出類似于長程記憶的特性。圖7（b）展示了三個器件在30個