基于 Al3Zr7Ox 电解质和 W-InOx 沟道实现电解质栅极晶体管中的质子耦合突触可塑性

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Proton-coupled synaptic plasticity in electrolyte-gated transistors enabled by Al 3Zr 7O x electrolytes and W-InO x channels

　　

摘要

掺入质子传导电解质和亲氢氧化物沟道的电解质栅晶体管（EGTs）为模拟突触可塑性提供了一条途径。然而，传统的氧化物电解质如Al₂O₃和ZrO₂往往表现出有限的质子迁移率或不足的介电稳定性，从而限制了器件性能。本研究采用溶液法制备了具有不同Al/Zr比的AlZrO_x电解质和W-InO_x沟道，并鉴定出Al₃Zr₇O_x为平衡质子迁移率与介电稳定性的优化组分。X射线光电子能谱（XPS）表明，Al₃Zr₇O_x具有高羟基浓度和较低的氧空位密度，从而形成了连续的质子跳跃网络以实现高效的离子传输。同时，掺入InO_x中的W主要以W⁶⁺-O配位环境存在，能够实现缓慢弛豫和状态保持。所制备的Al₃Zr₇O_x/W-InO_x EGTs表现出非易失性滞后、可调的短时增强和抑制、双脉冲易化、强直后增强以及联想学习行为。本工作提出了一种Al₃Zr₇O_x/W-InO_x突触晶体管，为氧化物EGTs中的质子传输与保持的工程化设计提供了一种双材料体系。

引言

人工智能和边缘处理领域对能效计算日益增长的需求，凸显了冯·诺依曼架构的局限性，其物理分离的存储和处理单元导致了过高的延迟和功耗[[1], [2], [3]]。将存储和信号处理功能集成于一体的器件概念因能够减少数据传输开销而引起了极大的关注[4,5]。电解质栅晶体管（EGTs）为这种集成操作提供了一个多功能平台，因为其沟道电导可以通过离子迁移和电解质/半导体界面处电双层（EDL）的形成进行连续调节[[6], [7], [8], [9]]。与传统场效应晶体管和其他突触晶体管相比，EGTs得益于较大的EDL电容和电化学掺杂机制，能够实现低电压工作、降低源漏接触电阻以及改善模拟电导调制，从而降低功耗[10,11]。

在基于质子的EGTs中，质子传输主要通过氢键网络以格氏跳跃机制进行，从而实现快速可逆的瞬态电导调制[10,[12], [13], [14]]。然而，瞬态质子极化如何演变为更长的弛豫行为和部分非易失性仍未得到充分理解。特别是，快速的界面质子迁移与半导体沟道内较缓慢的质子保持之间的耦合关系仍不清晰，尽管它可能强烈影响EGTs的电学行为[[15], [16], [17]]。

最近有报道指出，钨掺杂的氧化铟（W-InO_x）表现出异常高的载流子迁移率和电导率，这主要归因于共振电子态对In₂O₃导带的弱扰动[18,19]。除了其电子角色之外，氧化钨（WO₃）中的WO₆骨架包含能够容纳氢物种的空闲间隙位点，这意味着质子嵌入和保持可能做出贡献[20]。然而，在电解质栅控条件下，这类与质子相关的过程对W-InO_x沟道电学行为的影响尚未得到充分研究。

在电解质方面，氧化物基电解质由于其化学稳定性和组分可调性而适用于EGTs。ZrO₂具有高极化率，但往往伴随着漏电和质子迁移控制不佳的问题，而Al₂O₃则有效抑制了漏电，但代价是降低了离子迁移率[21,22]。许多研究展示了使用AlO_x或ZrO_x介电质的突触晶体管，实现了增强的工作频率、突触可塑性和多终端信号调制[[23], [24], [25], [26], [27], [28]]。因此，需要一种能够结合充分的与质子相关的离子传输与抑制电子漏电的电解质组分，以实现稳定的质子耦合电导调制。

在本工作中，我们展示了一种Al₃Zr₇O_x/W-InO_x EGT，它能够在不同时间尺度上实现耦合的质子动力学行为。Al₃Zr₇O_x电解质通过富羟基网络提供快速的界面质子传输，而W-InO_x沟道则支持较缓慢的质子保持。因此，这些EGTs表现出非易失性滞后、脉冲依赖的电导调制、双脉冲易化、强直后增强以及历史依赖的电导调节。这些结果阐明了氧化物基EGTs中协同质子传输和存储的器件级作用，并为与神经形态器件和时间相关电子元件相关的质子耦合电导调制提供了物理见解。

章节摘要

实验部分

0.2 mol/L的AlO_x前驱液通过将硝酸铝九水合物、硝酸（水溶液）和氨水（水溶液中28% NH₃）溶解于去离子水中合成。0.1 mol/L的ZrO_x前驱液通过将硝酸锆、硝酸（水溶液）和氨水（水溶液中28% NH₃）溶解于去离子水中合成。0.15 mol/L的InO_x前驱液通过将硝酸铟水合物溶解于2-甲氧基乙醇中合成。0.1 mol/L的WCl₆前驱液

结果与讨论

为了阐明沟道中的化学配位环境，对各组分进行了X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱表征，所有谱图均标定至C 1s峰284.8 eV。如图2(a)所示，W-InO_x的In 3d_5/2和In 3d_3/2峰相对于纯InO_x向更高结合能方向偏移，表明掺入W后In位点周围的电子密度降低。这种偏移与局部结构畸变一致，

结论

总之，我们开发了一种高性能EGT，其采用了组分优化的Al₃Zr₇O_x电解质与W掺杂的InO_x沟道相耦合。通过精确调控Al/Zr原子比，Al₃Zr₇O_x介电质在致密的基于羟基的质子跳跃网络与低氧空位密度之间建立了理想的平衡，从而有效促进高效的离子传输同时抑制漏电通路。这种与W-InO_x沟道的组合利用了可逆插入

作者贡献声明（CRediT）

林家辉：形式分析、调查研究、方法学、可视化、撰写—原始稿件。王宏：方法学、撰写—审阅与编辑。付绍明：数据管理、形式分析。林智杰：形式分析、验证。刘川：概念化、资源、监督、撰写—审阅与编辑。王梦晔：资金获取、项目管理、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U23B20166）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515030039）的部分资助。作者感谢中山大学（深圳）材料科学与工程学院、广东省光电材料与器件技术重点实验室、广东省显示材料与技术重点实验室以及中山大学电子信息学院提供的支持。

林家辉|王宏|付绍明|林智杰|刘川|王梦晔

中山大学材料科学与工程学院，深圳，中国518107