一种基于MoS2和GaSe异质结光电类突触器件的制备与研究
彭皓
摘 要：信息時代的来临，使得在人工智能、大数据等领域急需更高性能的计算系统，而传统的冯·诺依曼体系架构在信息处理和存储方面存在缺陷。研究者把目光转向了神经拟态计算，即通过模拟自然界中最高效的计算系统—人脑来极大地提升计算机的计算效率并实现智能化。而要实现神经拟态计算这一伟大构想，首要目标便是制备出能在结构以及功能上模拟生物突触的新型器件—即类突触器件。类突触器件已经取得一定发展，但是仍面临带宽不足以及信号串扰等问题。而通过引入光学信号，光电类突触器件可以有效解决以上问题。MoS2和GaSe等作为光电性能优异的二维半导体材料，一直以来被广泛应用于光电探测领域。本文通过制备MoS2/GaSe异质结并过施加脉冲激光信号，使器件成功模拟生物突触行为，对神经拟态计算的发展具有重要推动作用。
关键词：异质结;突触;光电响应
摩尔定律是由英特尔的联合创始人戈登·摩尔在1965年提出的，他认为“每过18个月，单位面积的芯片上面集成的晶体管数量将会增加一倍”。然而由于面临传统结构的硅基晶体管器件物理尺寸即将到达物理极限，加上热效应以及量子效应的限制，缩小器件尺寸换取高集成密度的发展路线受阻，导致了摩尔定律失效。与此同时，目前的计算机采用的是冯·诺依曼架构，其计算中心（CPU）和存储中心（Memory）相互分离，其中数据和指令放在存储中心里，这可以极大地提升计算机的泛用性;数据的计算在计算中心进行;数据和指令的反复传输则在总线（BUS）上进行。然而当传输的数据量很大时，数据与指令在计算中心与存储中心之间的传输速度（带宽）将极大地限制处理器性能并且会在传输时产生可观的能耗，从而限制整个计算机系统的效率，这个问题被称为冯·诺依曼瓶颈。目前计算机擅长处理的是具有明确边界条件、指定输入的特定问题，在这种问题上其处理速度以及计算结果精度方面明显远高于人脑。然而现实生活中的问题大多输入输出条件都不确定，并且实时性较强，例如在图像识别、逻辑推演、自我学习以及预测方面，传统计算机就会显得非常吃力。另一方面基于传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的人工大脑计算机芯片却进展缓慢。而类突触器件的提出以及研究给这一难题提出了很好的解决思路。
本文采用二维材料MoS2/GaSe异质结，利用MoS2/GaSe对于光的高响应幅度、宽响应带宽以及超快响应速度，制备出能够模拟生物突触行为的晶体管型类突触器件。器件可以对光刺激信号做出响应，通过研究其光电性能并且探究其作为神经仿生器件的应用前景，对人工神经突触电子领域的发展空间进行了拓展。
1 器件制备与表征
基底的清洗：将实验室购买的ITO导电玻璃依次放在装有丙酮、乙醇、去离子水的烧杯中，然后将烧杯置于超声波清洗机的水槽内超声清洗10分钟。超声清洗完成后用氮气枪吹干，置于热台上100℃持续5分钟以烘干。
ITO光刻：为了制备图形化的ITO电极，首先采用正胶光刻工艺将图形转移到ITO上。具体操作为首先将AZ-6112光刻胶旋涂于ITO玻璃上，旋涂参数为1000转/分钟10s，然后3000转/分钟30s;旋涂完成后，置于热台100℃1分钟以烘干固胶;烘干后使用无掩模激光直写光刻机进行图形化光刻;光刻完成后将ITO取出，置于显影液中50s，然后在去离子水内浸泡1分钟;显影完成后取出样品，置于热台100℃10分钟以烘干并固胶，至此整个光刻完成。
ITO图形化刻蚀：首先按照去离子水：60%浓盐酸：75%浓硝酸以50∶3∶1的配比配置ITO刻蚀液，70℃恒温水浴加热待用;随后，将光刻好的ITO置于刻蚀液中50s，以刻蚀掉多余部分，取出后放入去离子水浸泡1分钟;将ITO从去离子水取出，置于丙酮中浸泡1分钟以去除剩余光刻胶。至此，ITO电极制备成功，叉指宽度为20微米，叉指间距为30微米。
机械剥离得到的MoS2或GaSe尺寸通常在100μm以下，要成功构建出MoS2/GaSe异质结，必须要在精准的位移下实现两种材料的堆叠。基于此，实验搭建了一个微位移转移操作台，该操作台由超景深显微镜、显示器以及微位移台组成，其中具有最大1000倍放大倍数的超景深显微镜，以及与其相连的显示器用于实时观测二维材料的位置、尺寸等。在具有XYZ方向上1μm位移精度的微位移台操作下，实现MoS2和GaSe转移到基底电极以及精准堆叠形成范德华尔斯异质结。
最终制备的器件结构图以及光镜下实物图如图1（a）（b）所示。
在成功完成了异质结堆叠以及器件制备后，随后对于MoS2/GaSe组成的异质结进行了原子力显微镜表征以及拉曼光谱表征，其结果如图2所示。其中如图1（c）所示为MoS2/GaSe堆叠区域的拉曼光谱，其中MoS2两个明显的特征振动峰A1g和E2g分别位于大约380cm-1和410cm-1处。GaSe的拉曼光谱表明存在三个明显的特征振动峰A11g，E2g和A21g，分别位于大约135cm-1，220cm-1和310cm-1处。而MoS2的两个特征峰以及GaSe的三个特征峰均同时存在，说明异质结堆叠成功。如图1（d）所示为异质结区域的原子力显微镜图像，可以看到MoS2和GaSe两种材料各自的表面以及界面处均表现为平整光滑，无气泡，无杂质，无明显断裂。同时，经过原子力显微镜的测量，异质结区域厚度约为20nm，这也与拉曼光谱表征相对应，表明本章所制备的MoS2/GaSe异质结由多层二维材料组成。多层的MoS2以及GaSe具有更高的光吸收度以及光响应度，更有利于制备低功耗、高灵敏度的光电类突触器件。
2 器件对生物突触功能的模拟
为了模拟生物突触功能，通过函数发生器将脉冲电压施加到激光器上，产生脉冲激光信号，用于模拟突触前脉冲;通过探针台、Keithley-2400以及示波器，检测到光生电流产生，用于模拟突触后电流（EPSC）。进一步地通过施加两个相同的激光脉冲，得到如图2的结果。当两个脉冲间隔时间较小时，很明显第二个脉冲产生的EPSC大于第一个脉冲所触发的，如图2（a）所示，类似于生物突触系统中γ-氨基酸在低钙环境下对诱导生物神经系统的促进作用。并且随着两个脉冲的间隔时间增加，这种增益逐渐减小。我们定义了两个脉冲所触发的EPSC幅值之差与第一个EPSC幅值的比值为双脉冲易化系数（PPF Index），由图2（b）可以看出，PPF系数随间隔时间增加逐渐减小直至0，代表当重复训练的间隔较大时，器件的记忆学习能力减弱。这表明器件成功实现了对生物突触双脉冲易化的模拟。
3 结语
我们首先采用机械剥离得到MoS2和GaSe的少层薄片，利用光刻和溶液刻蚀得到微米级别的ITO叉指电极，然后在实验室自主搭建的微位移台操作下实现MoS2和GaSe在ITO电极上的精准堆叠形成异质结，以此制备出以MoS2/GaSe范德华异质结为基础的晶体管结构光电类突触器件，并且实现了对生物突触PPF的模拟，显现了二维材料异质结光电类突触器件在神经拟态计算领域的巨大潜在应用价值，拓宽了类突触器件的材料和结构范围。
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