电解质栅控晶体管是一种用电解质材料代替传统栅介质材料二氧化硅的特殊晶体管，其电阻态可进行连续、可逆变化的特性，使其成为类脑生物神经网络突触的一种理想元件，在人工智能网络中有着很大应用前景。本期介绍内容是微电子所研究团队在电解质栅控晶体管和构建脉冲神经网络上取得的最新成果，请来正文一睹为快。
研究背景
电解质栅控晶体管*是近年来提出的一种三端忆阻器件，其结构与传统场效应晶体管类似。不同的是，电解质栅控晶体管采用含有可动离子（如氢离子、锂离子等）的电解质材料代替二氧化硅作为栅介质层。在栅极电压作用下，可动离子发生迁移并与沟道材料发生电化学反应后注入其中。
离子的注入起到了掺杂的作用，能够调节沟道材料的载流子浓度，使沟道电阻态发生连续、可逆的非易失变化，被认为是模拟类脑生物神经网络基本功能单元——突触的理想元件之一。近年来科学界对电解质栅控晶体管及其在类脑神经网络应用方面的研究取得了一定进展，但研究成果主要集中在单个器件的性能验证，在材料体系、器件阵列和网络算法等层面亟待突破。
针对上述问题，微电子所微电子重点实验室刘明院士团队制备了具有良好沟道电导调节性能和器件均一性的电解质栅控晶体管阵列，并基于此阵列构建了可处理时空信息的脉冲神经网络系统。该成果近期”Oxide‐Based Electrolyte‐Gated Transistors for Spatiotemporal Information Processing”为题发表于《Advanced Materials》期刊上，微电子所博士研究生李悦、卢吉凯为论文共同第一作者，尚大山研究员为论文通讯作者。
*Electrolyte Gated Field-Effect Transistors，简称EGTs，通常译作电解质栅控晶体管、电解质调控场效应晶体管等，早期由贝尔实验室Brattaind小组采用电解质作为栅介质研制了Ge沟道晶体管，到了20世纪80年代后，关于EGTs的研究逐渐增多，成为了晶体管研究的一个重要方向。
基本特性
团队首先对材料体系进行了筛选，首次采用无机氧化物——Nb2O5作为沟道材料构建电解质栅控晶体管，成功实现32x32的阵列集成。此电解质栅控晶体管表现出优异的电学特性，包括近线性的沟道电导模拟变化特性、良好的耐受性（≥106）和保持特性（≥1000 s）、快速操作（~100 ns）、极低的电导变化范围（<100 nS）和超低的操作能耗面密度（20 fJ·μm-2）等。
制备与测试
▲晶体管阵列示意图
▲图(a)为基于电解质栅控晶体管的脉冲神经网络触觉感知系统实现方案；图(b)为脉冲神经网络结构图，其中输入神经元和输出神经元通过电解质栅控晶体管（突触）进行连接；图(c)为不同移动方位角条件下各神经元的膜电位变化。
前景展望
类脑神经形态工程近年来正在成为信息领域的一个研究热点，将成为今后人工智能发展的有力补充和增长点，促进微电子技术的发展。在神经形态器件领域，离子导体电解质在静电调控器件中有着独特的应用价值，为揭示凝聚态物质的新规律提供了新的研究途径，并且由于独特的界面离子耦合特性及相关的界面电化学过程，其在人造突触器件和神经形态系统方面有着极强的应用前景，当前人工智能领域方兴未艾、前景光明，也期待电解质栅控晶体管研究领域的成果能够早日落地！
团队简介
刘明院士为现任中国科学院微电子研究所研究员、博士生导师、中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室主任，2015年当选为中国科学院院士。
刘明院士及其团队长期从事半导体存储器和集成电路的微纳加工等方面的研究。阐明了阻变存储器机理，建立了相应的物理模型；提出了功能层掺杂和局域电场增强的阻变存储器性能调控方法，提高存储器整体性能。拓展了新型闪存材料和结构体系，提出新的可靠性表征技术、失效模型和物理机理。发展了集成电路的微纳加工技术并拓展到禁运的短波衍射元件研制中。
中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室于2008年经中国科学院批准，成为面向国内外开放的院重点实验室，实验室开展新型存储和逻辑器件、新材料和新原理器件、纳米集成技术等应用基础研究。
论文全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003018
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