福州大學(xué)光電顯示研究所郭太良教授團(tuán)隊(duì)陳惠鵬課題組通過使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)（配有噴口直徑80μm的噴頭），在單個(gè)晶圓上開發(fā)有機(jī)突觸晶體管陣列，以模擬具有一個(gè)突觸前膜和多個(gè)突觸后膜的突觸行為。通過在噴墨打印過程中調(diào)節(jié)液滴間距，可以實(shí)現(xiàn)具有不同突觸行為的突觸陣列，豐富了神經(jīng)形態(tài)器件的多樣性，為下一代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了新的方向。

介紹

人工智能（AI）已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、醫(yī)療保健、制造、通信和運(yùn)輸，被認(rèn)為是最有前途的技術(shù)領(lǐng)域之一，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能的基礎(chǔ)，使用馮·諾依曼架構(gòu)中的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比人腦消耗更多的能量，因此有必要基于人工突觸設(shè)備構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以減少能量消耗并簡化電路。

目前，突觸晶體管已被開發(fā)用于實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和記憶功能。在晶體管中柵極作為突觸前膜，源極和漏極電流作為突觸后膜的輸出。與生物學(xué)中的突觸結(jié)構(gòu)非常相似，在生物學(xué)上，不同的突觸后膜具有不同的受體成分或由其他生理或病理因素引起的受體敏感性差異，導(dǎo)致對(duì)一個(gè)突觸前膜的相同神經(jīng)信號(hào)的不同反應(yīng)。福州大學(xué)陳惠鵬教授團(tuán)隊(duì)通過使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統(tǒng)在單片晶圓上制備了晶體管陣列，模擬了一個(gè)突觸前膜和多個(gè)突觸后膜的突觸行為實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的神經(jīng)反應(yīng)。

▲ 圖1 （a） 具有單個(gè)前突觸和多個(gè)后突觸的生物突觸示意圖；（b） 突觸晶體管的器件結(jié)構(gòu)；打印的PDVT-10通道的AFM圖像，液滴間距為80μm（c）和140μm（d）。

圖1a展示了具有單個(gè)突觸前膜和多個(gè)突觸后膜的模型。神經(jīng)遞質(zhì)從突觸前膜釋放出來，然后被多個(gè)突觸后膜的受體接收，受體打開突觸后膜的離子通道，調(diào)節(jié)突觸后電流。器件結(jié)構(gòu)如圖1b所示，其中突觸晶體管集成在單個(gè)晶圓上，通過在噴墨打印過程中調(diào)整液滴間距，可以使每個(gè)通道對(duì)電流的響應(yīng)不同。圖1c和1d為PDVT-10薄膜的AFM圖像，液滴間距分別為80μm（圖1c）和140μm（圖1d）。

▲ 圖2 （a）噴墨打印原理圖；（b）Trap密度隨液滴間距的不同而變化，通過正向掃描轉(zhuǎn)移曲線計(jì)算，插圖是一個(gè)突觸晶體管在80μm液滴間距下的雙掃描曲線；（c）通道電流在脈沖后發(fā)生的變化；（d）在去除柵極電壓之后，時(shí)間常數(shù)隨著液滴間距的增大而減?。唬╡）具有不同液滴間距的標(biāo)準(zhǔn)化ΔEPSC；（f）標(biāo)準(zhǔn)化ΔEPSC作為不同液滴間距下δt的函數(shù)。

為了調(diào)節(jié)突觸晶體管的電學(xué)特性，液滴間距是這里的關(guān)鍵參數(shù)，圖2a是該工藝的原理圖，通過控制噴頭的運(yùn)動(dòng)速度和噴射墨滴的頻率來獲得不同的液滴間距。圖2b將Dt表示為液滴間距的函數(shù)，其中Dt隨液滴間距的增大而減小，從而導(dǎo)致突觸性能的變化。當(dāng)施加正脈沖柵極電壓時(shí)，通道的電流增強(qiáng)，稱為興奮性突觸后電流（EPSC），如圖2c所示。當(dāng)電壓移除時(shí)，EPSC將隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，由圖2d可以看出，EPSC的時(shí)間常數(shù)隨著液滴間距的增大而減小，說明液滴間距越大，EPSC的衰減速度越快。為了表征器件的多突觸性能，在器件上施加相同的柵極電壓，然后讀取不同通道的源漏電流。在該突觸晶體管陣列中，?EPSC（峰值EPSC減去初始電流與后者的比率），相同柵極電壓（10V）下，隨著每個(gè)單獨(dú)通道中柵極電壓的持續(xù)時(shí)間（δt）而增加，并隨著液滴間距的增加而減小，如圖2f所示。

在相同δt（30ms）下，?EPSC也與柵極電壓正相關(guān)，與液滴間距負(fù)相關(guān)，如圖2e所示?？傮w而言，所制備器件的?EPSC隨著液滴間距的增加而固定降低。

▲ 圖3 （a）將兩個(gè)連續(xù)的5V脈沖施加到晶體管以產(chǎn)生增量EPSC，定義PPF＝A2/A1；（b）對(duì)晶體管施加30個(gè)連續(xù)10V脈沖的EPSC；（c）PPF隨兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間和液滴間距的變化而變化；（d）以不同的液滴間距去除脈沖之后的電流。

對(duì)脈沖促進(jìn)指數(shù)（PPF）反映了前者對(duì)后者在一對(duì)脈沖中的影響，通常隨著兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔的增加而減小，并在每個(gè)單獨(dú)的通道中觀察到。同時(shí)，PPF的比值也隨著液滴間距的增大而減小，如圖3a和3c所示。施加不同脈沖后的保持性能也是一個(gè)重要的參數(shù)。如圖3b所示，向突觸晶體管陣列施加30個(gè)10V脈沖，并研究去除脈沖后的電流（圖3d），可以看出，隨著液滴間距的減小，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)程可塑性（STP）到長時(shí)程可塑性（LTP）。

▲ 圖4 （a）厚度隨著液滴間距的增大而減??；（b）兩個(gè)掃描方向上的閾值電壓隨液滴間距而變化；在柵極電壓下捕獲電子的機(jī)制，以較小的液滴間距（c）和較大的液滴間距（d）。

液滴間距的增加將改變突觸晶體管的性能，當(dāng)我們?cè)黾右旱伍g距時(shí)，沉積的溶液會(huì)減少，從而導(dǎo)致薄膜變薄。如圖4a和4b所示，打印的薄膜厚度隨著液滴間距的增大減小，薄膜的厚度決定了自由載流子濃度，這會(huì)影響閾值電壓。隨著打印的液滴的間距減小，沉積更多的溶液，然后蒸發(fā)形成更多的氣體。溶液蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的氣體將產(chǎn)生孔隙，在薄膜中形成陷阱。因此，液滴間距的增加將在薄膜中產(chǎn)生更少的孔隙，從而減少陷阱，導(dǎo)致晶體管遲滯（Vth）和突觸行為的變化。捕獲電子影響突觸性能的機(jī)制如圖4c和圖4d所示，PDVT-10以不同的液滴間距打印在SiO2上，這在PDVT-10薄膜中產(chǎn)生了陷阱。因此較大的陷阱密度意味著更大的Dt（E）和相關(guān)E，導(dǎo)致陷阱的能級(jí)更深，這會(huì)在更長的時(shí)間內(nèi)影響通道電流，從而導(dǎo)致更大的τ，更大的PPF和更大的可塑性。相反，當(dāng)PDVT-10在較大的液滴間距下打印時(shí)，Dt更小，陷阱能帶更淺，導(dǎo)致EPSC、τ和PPF降低，可塑性更小。

結(jié)論

噴墨打印是一種高效的溶液處理工藝，在電子科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠制造出具有大面積復(fù)雜圖案化薄膜和低單位面積成本的電子器件，通過使用MicroFab Jetlab II噴墨打印技術(shù)，調(diào)節(jié)噴墨打印過程中的液滴間距，制備了具有不同突觸性能的突觸晶體管陣列，以模擬突觸前膜和多個(gè)突觸后膜的場(chǎng)景。噴墨打印是一種簡便制備對(duì)同一刺激具有不同響應(yīng)的晶體管陣列的方法，研究發(fā)現(xiàn)液滴間距越小，突觸后反應(yīng)越強(qiáng)，包括EPSC、PPF指數(shù)和保持性能。這為構(gòu)建下一代結(jié)構(gòu)簡化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一種新的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chen X ,? Li E ,? Zhang X , et al. Printed Organic Synaptic Transistor Array for One-to-Many Neural Response[J]. IEEE Electron Device Letters, 2022(3):43.