技术摘要：
本发明公开了一种三端型薄膜晶体管、其制备方法以及光敏神经突触器件。该三端型薄膜晶体管包括衬底、沟道、栅电极、源电极和漏电极，其中沟道由金属氧化物与量子点材料复合构成，并且量子点材料夹杂在金属氧化物中，具有可见光响应强度高，持续光电导效应强的特点，因  全部
背景技术：
随着科技的飞速发展，基于传统冯诺伊曼配置的运算体系并不能有效地解决高复 杂性问题。相反，人脑不仅具有能耗低，自主学习的优点，而且具备信息存储和处理过程高 度并行的特点。神经元是大脑认知和信息处理的基本单位，突触作为连接两个神经元的基 本结构，是学习和执行记忆功能的关键，以此为基础，设计突触电子器件来模拟类脑计算是 十分必要的。 目前大多数的突触装置是基于纯电刺激，这可能导致带宽有限和互连低效问题， 而光信号具备超快传输和高带宽的优点，因此，探索光敏神经突触装置是非常必要的。到目 前为止，许多突触器件可以用来模拟有效运作的大脑，其中，晶体管因其三端结构使得信号 在学习过程中得以同步传输而具备明显优势。 以氧化铟镓锌(Indium  Gallium  Zinc  Oxide，IGZO)为代表的金属氧化物薄膜晶 体管，因其优异性能，已被应用于液晶显示面板中。此外，由于氧空位等缺陷的存在，金属氧 化物薄膜晶体管具备持续光电导效应，使其具备成为光敏神经突触器件的可能性。 但是，由于氧化物带隙较大，对应光的吸收波长一般集中在紫外光波段，且随着波 长的增加，吸收系数呈下降趋势，因此在可见光范围内，氧化物晶体管作为光敏神经突触不 具备明显优势。
技术实现要素：
针对上述技术现状，本发明提供一种包括栅电极、源电极和漏电极的三端型薄膜 晶体管，具有可见光范围光响应增强，持续光电导现象等特点，能够满足可见光波段光敏神 经突触的使用需求。 为了实现上述技术目的，本发明人将金属氧化物材料与量子点材料复合构成三端 型薄膜晶体管中的沟道，量子点材料作为直接带隙半导体材料，具备带隙较窄，吸收系数 高，甚至可见光谱范围全吸收的特点，通过将量子点与金属氧化物材料复合提高可见光范 围的响应强度。 即，本发明提供的技术方案为：一种三端型薄膜晶体管，包括衬底、沟道、栅电极、 源电极和漏电极，其特征是： 所述沟道由金属氧化物与量子点材料复合构成，并且量子点材料夹杂在金属氧化 物中。 所述量子点材料不限，包括钙钛矿量子点、石墨烯量子点、碳量子点、硅量子点、碲 化镉量子点等。作为优选，所述量子点材料的厚度为5nm～20nm。 所述金属氧化物材料不限，包括氧化镓、氧化锌、氧化铟、氧化镉、氧化锡等中的一 4 CN 111554770 A 说　明　书 2/6 页 种或者几种。 作为一种实现方式，所述沟道由金属氧化物薄膜与量子点材料复合构成，并且量 子点材料夹杂在金属氧化物薄膜中。作为优选，所述沟道由第一金属氧化物薄膜层、第二金 属氧化物薄膜层以及量子点材料上下层叠构成，并且量子点材料层夹杂在第一金属氧化物 薄膜层与第二金属氧化物薄膜层之间。此时，沟道层的厚度主要取决于第一层金属氧化物 薄膜层与第二层金属氧化物薄膜层的厚度，当两层金属氧化物薄膜层过厚时，会增大源电 极与漏电极之间的接触电阻，此现象可能导致晶体管关不断，无法正常工作；当两层金属氧 化物薄膜层过薄时，一方面会使金属氧化物的成膜质量降低，另一方面会使量子点材料无 法完全夹杂在金属氧化物薄膜中间，因此无法保证器件的电学性能以及仿生突触性能。因 此，此时沟道层中第一金属氧化物薄膜层与第二金属氧化物薄膜层的总厚度介于20nm到 100nm之间，并且通过大量实验分析以及成本考虑，所述总厚度优选为40nm-60nm。 作为进一步优选，所述第一金属氧化物薄膜层的厚度与第二金属氧化物薄膜层的 厚度之差小于50nm，优选为小于30nm，最优选为小于10nm。 所述衬底的材料不限，包括硅片、玻璃、塑料、、氮化铝、碳化硅、蓝宝石、石英、氮化 镓等。 所述栅极材料不限，包括Au、W、ITO、Pt、Ag、Cr、Ta、Mo、Ti等中的一种或者几种。 所述源电极材料不限，包括Au、W、Cu、Al、ITO、Pt、Ag、Cr、Ta、Mo、Ti等中的一种或者 几种。 所述漏电极材料不限，包括Au、W、Cu、Al、ITO、Pt、Ag、Cr、Ta、Mo、Ti等中的一种或者 几种。 所述晶体管的结构不限，可以是平面型，即源电极、漏电极以及栅电极位于沟道的 一侧，也可以是错排型，即，栅电极位于沟道的一层，源电极与漏电极位于沟道的另一层。在 所述错排型结构中，还包括栅介质层，栅介质层的材料不限，包括SiO2、Al2O3、HfOx、Co2O3、 MgO、CaO等。 本发明还提供一种制备上述三端型薄膜晶体管的制备方法，包括在衬底上制备沟 道的步骤，或者在衬底表面制备栅电极层，在栅电极层表面制备栅介质层，在栅介质层表面 制备沟道的步骤；其特征是：在衬底上制备第一金属氧化物薄膜层，在第一金属氧化物薄膜 层上制备量子点材料层，在量子点材料层上制备第二金属氧化物薄膜层；或者， 在栅介质层表面制备第一金属氧化物薄膜层，在第一金属氧化物薄膜层上制备量 子点材料层，在量子点材料层上制备第二金属氧化物薄膜层。 所述第一金属氧化物薄膜层的制备方法不限，包括化学气相沉积工艺、磁控溅射 沉积工艺、水热合成工艺等。采用磁控溅射沉积第一金属氧化物薄膜层时，作为优选，压强 保持为0.15Pa～3Pa，溅射功率保持在50W～100W，沉积工艺气体优选为氩气。 所述第二金属氧化物薄膜层的制备方法不限，包括化学气相沉积工艺、磁控溅射 沉积工艺、水热合成工艺等。采用磁控溅射沉积第二金属氧化物薄膜层时，作为优选，压强 保持为0.15Pa～3Pa，溅射功率保持在50W～100W，沉积工艺气体优选为氩气。 所述量子点材料薄膜层的制备方法不限，包括将量子点材料溶于溶剂得到量子点 材料溶液，然后通过旋涂、印刷、流延后使溶剂挥发，得到量子点材料层。采用旋涂工艺时， 作为优选，旋涂转速保持在800r/min～3000r/min，旋涂时间保持在10s～50s。作为一种实 5 CN 111554770 A 说　明　书 3/6 页 现方式，通过退火工艺使溶剂挥发，作为优选，退火温度保持在50℃～100℃，退火时间保持 在10min～60min。 本发明在传统的由金属氧化物构成的薄膜晶体管沟道中复合量子点材料，具有如 下有益效果： (1)由于金属氧化物的带隙影响，基于金属氧化物晶体管的光敏神经突触器件仅 对紫外光有相应，此现象限制了其在可见光范围的应用； 然而，本发明中，量子点材料与一般宽禁带金属氧化物的能级匹配，在可见光照射 条件下，量子点材料产生的光生电子较容易地转移到金属氧化物中，光生空穴保留在量子 点材料中，实现了光生电子对的有效分离，不易复合，宏观上表现为光敏神经突触的光响应 增强，并且具有明显的持续光电导现象，为可见光下光敏神经突触行使功能提供了可能； 即，本发明中，量子点作为良好的吸光材料将产生的光生载流子传递到氧化物部分而发挥 作用，使薄膜晶体管不仅对紫外光，甚至对可见光的刺激产生了明显的神经突触后电流，拓 宽了光敏神经突触的响应光谱，使得光敏神经突触在可见光范围的应用领域中具备明显优 势；并且，撤光后电流值缓慢降至初始值，即具备持续光电导效应，以及实现长程可塑，短程 可塑等与生物仿生突触相关的记忆行为； (2)此外，本发明的晶体管具备功耗低，制备方式简单，与柔性衬底兼容等特点； 因此，相比传统的氧化物薄膜晶体管，本发明更加适合用于光敏神经突触器件。 附图说明 图1是实施例1中石英玻璃片A、B、C上的三类样品的荧光光谱图。 图2是实施例2中的薄膜晶体管的剖面结构示意图。 图3是实施例2-7的薄膜晶体管在光脉冲刺激下的神经突触后电流。 图4是实施例8的薄膜晶体管在光脉冲刺激下的神经突触后电流。 图5是实施例9的薄膜晶体管在光脉冲刺激下的神经突触后电流。 图6是实施例4中薄膜晶体管显示的双脉冲易化性能。 图7是实施例2-7中薄膜晶体管显示的短程可塑、长程可塑以及中间过渡态的性 能。 图8是实施例10的薄膜晶体管的在光脉冲刺激下的神经突触后电流。 图1中的附图标记为：p型掺杂的Si材料1、栅绝缘层2、沟道层3、源电极4、漏电极5。