CN114141813A - 一种基于Bi2O2Se的多模态感存算一体系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Bi₂O₂Se的多模态感存算一体系统及其实现方法。本发明将多个Bi₂O₂Se场效应晶体管集成在一起，基于器件的多模态传感特性、多模态突触可塑性和非线性抑制神经元特性，分别作为传感器、突触器件和神经元器件使用，由此构建多模态感存算一体系统，从而实现同种材料相同器件结构的传感模块、存储模块以及计算模块的片上一体化集成。

Description

一种基于Bi2O2Se的多模态感存算一体系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于新型半导体Bi₂O₂Se多模态感存算一体系统(Multimodal insensor memory computing based on Bi₂O₂Se)及其实现方法，属于新材料及新型计算技术领域。

背景技术

生物体中存在很多多模态感存算一体的系统，例如皮肤系统、视觉系统、听觉系统以及运动系统等，它们同时感受到的外界的多种信息和刺激可以直接形成记忆，并产生判断和决策，模拟生物系统的多模态感存算一体对于实时、高效并行的处理多种信息具有重要意义。而且，随着大数据时代的到来，对传统的冯诺依曼计算架构带来了诸多挑战，例如传感单元、存储单元、计算单元之间大量信号转换电路的硬件开销，数据传输导致的延迟和功耗也日益增加。另外，传感单元、存储单元、计算单元之间由于材料体系与制备工艺的不同导致很难将它们实现片上集成，目前的解决方案是将不同功能模块串联在一起实现感存算功能，但是这仍然没有改变不同功能单元之间由于材料体系及器件结构的不同导致的集成瓶颈问题。

发明内容

为了解决不同功能单元之间的集成瓶颈问题，本发明提出一种基于新型半导体材料Bi₂O₂Se实现多模态感存算一体的方法。

本发明提出基于Bi₂O₂Se半导体材料实现多模态感存算一体，基于Bi₂O₂Se半导体制备的场效应晶体管，能够实现多模态传感特性、多模态突触可塑性以及非线性抑制神经元特性。可以实现同种材料相同器件结构的传感模块、存储模块以及计算模块的片上一体化集成。

具体的，本发明提供的感存算一体化系统实现方案，是基于新型层状半导体Bi₂O₂Se，使用CMOS兼容的工艺制备场效应晶体管，Bi₂O₂Se由于其独特的晶格结构，BiO层与Se层交替排列，BiO层为电子传输层，Se层为缺陷复合层，可以在具有高的电子迁移率的同时能够实现长的非平衡载流子寿命。高的电子迁移率能实现多模态传感特性，多重缺陷复合机制能够实现突触可塑性以及抑制神经元特性。

新型层状半导体Bi₂O₂Se的电子有效质量为0.12m₀，禁带宽度为～0.8eV，具有很高的电子迁移率，并且化学性质稳定，以Bi₂O₃和Bi₂Se₃作为生长源，通过CVD的方法可以云母衬底上生长Bi₂O₂Se，为了便于后面器件的制备，我们将Bi₂O₂Se从云母衬底转移到硅/高k(Si/high-k)衬底(如Si/HfO₂衬底)上进行器件制备，以Bi₂O₂Se作为有效层沟道，采用电子束曝光(EBL)进行图形化，电子束蒸发沉积金属，剥离形成MOSFET结构。

以基于Bi₂O₂Se的背栅场效应晶体管为例，该器件包括衬底和位于衬底上的沟道，沟道两端分别为源极和漏极，其中，所述衬底为硅/高k衬底，所述沟道为Bi₂O₂Se纳米片。其中，所述硅/高k衬底是由硅衬底及其上的高k介质层组成的复合衬底，通常通过在硅衬底上生长具有高k值的介质层获得，例如硅/氧化铝复合衬底或者硅/氧化铪复合衬底；所述Bi₂O₂Se纳米片的厚度优选为10～20nm。对于基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管，首先是传感特性的表征，由于Bi₂O₂Se材料具有高的电子迁移率和相对较窄的带隙，因此该材料对于光和热具有很好的响应，可以作为多模态传感器件使用，传感性能优异。

其次，Bi₂O₂Se二维材料的Se层存在空位缺陷，可以俘获非平衡载流子，从而使得非平衡载流子寿命增加，呈现出一定的存储特性。对该材料分别施加光照和温度变化，均呈现出一定的记忆衰减特性，可以作为光突触和热突触使用。

进一步地，由于Se空位的存在，Se空位的电子会自发的注入到BiO层中，这就是很多二维材料生长过程中的自掺杂效应，在施加大的Vd电压条件下，电子会被激发填充回到Se空位，降低沟道电子浓度，实现电压抑制特性，并且抑制特性随输入电压呈现满足神经元特性的sigmoid函数的形式，因此可以作为神经元使用，提供非线性映射的功能。

本发明提出一种基于全Bi₂O₂Se场效应晶体管的多模态感存算一体系统的集成方案。

将多个Bi₂O₂Se场效应晶体管集成在一起，基于器件的多模态传感特性、多模态突触可塑性和非线性抑制神经元特性，分别作为传感器、突触器件和神经元器件使用，由此构建多模态感存算一体系统。其中，所述传感器包括光传感器和热传感器，所述突触器件包括光突触器件和热突触器件。

对于单个基于Bi₂O₂Se的背栅场效应晶体管，根据下述方法实现其相应特性：

(1)温度传感特性：固定漏端电压Vd，提取关态区的沟道电阻随温度的变化，实现温度传感；

(2)光传感特性：固定漏端电压Vd，在器件能够响应的波长范围内，固定光波长和栅极电压Vg，不同光功率密度下器件的输出特性曲线不同，具有光响应性，从而实现光传感；

(3)光突触特性：固定漏端电压Vd，固定光波长和光功率密度，固定栅极电压Vg，采用脉冲光进行连续刺激，器件沟道电流长时间衰减不到初始水平，呈现长时程突触可塑性；施加连续的2个脉冲光刺激，第二个脉冲对沟道电流的影响高于第一个脉冲，呈现双脉冲易化特性；

(3)热突触特性：固定漏端电压Vd和栅极电压Vg，对器件施加升温脉冲，沟道电流的回复缓慢；施加降温脉冲，每一个脉冲都相较前一个脉冲的沟道电流增加，呈现出热突触特性；

(5)抑制神经元特性：固定栅极电压Vg，设置相同频率的漏端电压Vd脉冲信号，不同幅值的脉冲对应不同的电流脉冲发放次数，多次测试的统计性结果呈现出明显的“sigmoid”函数形式，呈现抑制神经元特性。

在本发明的实施例构建的一个多模态感存算一体系统中，外界信号通过基于Bi₂O₂Se的传感器以电流形式I传输到基于Bi₂O₂Se的突触器件构成的矩阵网络，矩阵网络提供权重值R，然后进行矩阵乘法运算，输出V＝I×R，最后进入基于Bi₂O₂Se的神经元器件，经过非线性变换输出结果。

本发明的技术优势主要体现在：

1)使用了新型二维材料Bi₂O₂Se作为有源层，同时实现了传感特性、突触可塑性以及抑制神经元特性。

2)与传统的感存算模块相比，本发明提出的感存算模块采用同一种材料和相同的器件结构，更具备片上一体化可集成性。

3)所有制备工艺与现有CMOS工艺完全兼容，可实现大规模集成。

附图说明

图1为本发明所使用的新型层状Bi₂O₂Se半导体的三维晶格结构示意图，属于四方晶系，BiO层与Se层交替排列。

图2为实施例中制备的背栅场效应晶体管器件的光学显微镜照片。

图3显示了基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管的温度传感特性，其中(a)为不同温度下的转移特性曲线，(b)为关态区(Vg＝-4V)的电阻随温度的变化情况。

图4显示了基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管的光传感特性，其中(a)为不同波长下的转移特性曲线，(b)为不同功率密度下的输出特性曲线。

图5显示了基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管的光突触特性，其中(a)为长时程突触可塑性，(b)为双脉冲易化特性。

图6显示了基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管的热突触特性，其中(a)为降温脉冲的电流特性曲线，(b)为升温脉冲的电流特性曲线。

图7显示了基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管的抑制神经元特性，其中(a)为不同Vd电压下的电流发放脉冲，(b)为不同Vd电压下电流发放脉冲次数的统计性结果，呈非线性sigmoid函数形式。

图8为全Bi₂O₂Se场效应晶体管感存算一体集成系统示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于新型层状半导体材料Bi₂O₂Se的场效应晶体管实现多模态感存算一体的方法，该方法使用高迁移率且性质稳定的Bi₂O₂Se作为有效层沟道，制备场效应晶体管器件。该器件能够同时实现多模态传感特性、多模态突触特性以及非线性抑制神经元特性，从而为实现多模态感存算一体的集成提供了可能。下面结合附图对本发明进行详细说明。

新型层状半导体材料Bi₂O₂Se属于四方晶格结构，Se层和BiO层相互交替排列，Bi、O原子之间通过强的共价键连接，BiO层和Se层通过静电力相互作用连接，如图1所示。

通过CMOS相兼容的工艺，包括电子束曝光、电子束蒸发镀膜、剥离等，制备的背栅场效应晶体管阵列，如图2所示。

1)温度传感特性，对于单个背栅场效应晶体管器件，固定漏端电压Vd＝50mV(选取原则为使沟道具有明显电流，且考虑低功耗，电压尽可能小)，测试不同温度下的转移特性曲线，温度范围很宽，器件仍能正常工作，如图3(a)所示，提取关态区(Vg＝-4V)的沟道电阻随温度的变化实现温度传感，电阻变化窗口很大，表明灵敏度较高，如图3(b)所示。

2)光传感特性，对于单个背栅场效应晶体管器件，固定漏端电压Vd＝50mV，测试不同波长下的转移特性曲线，器件能够响应的波长范围很宽，如图4(a)所示，固定波长为500nm，固定Vg＝0.5V，测试不同光功率密度下的输出特性曲线，器件的光响应度很高，如图4(b)所示。

3)光突触特性，对于单个背栅场效应晶体管器件，固定漏端电压Vd＝50mV，固定光波长为500nm，光功率密度为400μWcm^-2，固定Vg＝0.5V，采用脉冲光(开关时间＝1s/1s)，进行刺激，连续施加60个脉冲光，测试器件沟道电流的衰减曲线，电流长时间衰减不到初始水平，对应突触的长时程突触可塑性，如图5(a)所示；施加连续的2个脉冲光刺激，测试电流曲线，第二个脉冲的影响高于第一个脉冲，呈现双脉冲易化特性，如图5(b)所示。

4)热突触特性，对于单个背栅场效应晶体管器件，固定漏端电压Vd＝50mV，固定Vg＝0.5V，通过热电片实现升温脉冲，升温到38℃，施加一个脉冲刺激，测试沟道电流的回复曲线，回复缓慢，如图6(a)所示；类似的，施加降温脉冲，测试沟道电流曲线，每一个脉冲都相较前一个脉冲的电流增加，如图6(b)所示，呈现出热突触特性。

5)抑制神经元特性，对于单个背栅场效应晶体管器件，固定Vg＝0.5V，设置相同频率的Vd脉冲信号(频率大小没有限制，本实施例中采用的信号周期为200ms)，不同Vd幅值的脉冲对应不同的电流脉冲发放次数，如图7(a)所示，进行多次测试，统计性结果呈现出明显的“sigmoid”函数形式，呈现抑制神经元特性，如图7(b)所示。

鉴于以上基于Bi₂O₂Se的器件能够实现多种功能，本发明提出一种构建全Bi₂O₂Se器件的感存算一体网络，外界信号通过Bi₂O₂Se传感器，输出通过电流(I)的形式输入到Bi₂O₂Se突触构成的矩阵网络中，突触的矩阵网络提供权重值(R)，然后进行矩阵乘法运算，输出V＝I×R，最后进行Bi₂O₂Se神经元非线性变换输出结果，如图8所示。

Claims (10)

1.一种多模态感存算一体系统，包括多个集成在一起的基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管，所述基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管以二维半导体材料Bi₂O₂Se作为有效层沟道，具有多模态传感特性、多模态突触可塑性和非线性抑制神经元特性；将所述基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管分别作为传感器、突触器件和神经元器件使用，构建多模态感存算一体系统。

2.如权利要求1所述的多模态感存算一体系统，其特征在于，在多模态感存算一体系统中，外界信号通过传感器以电流形式I传输到突触器件构成的矩阵网络，矩阵网络提供权重值R，然后进行矩阵乘法运算，输出V＝I×R，最后进入神经元器件，经过非线性变换输出结果。

3.如权利要求1所述的多模态感存算一体系统，其特征在于，所述传感器包括光传感器和热传感器，所述突触器件包括光突触器件和热突触器件。

4.如权利要求1所述的多模态感存算一体系统，其特征在于，所述基于Bi₂O₂Se的场效应晶体管为背栅场效应晶体管，包括衬底和位于衬底上的沟道，沟道两端分别为源极和漏极，其中，所述衬底为硅/高k衬底，所述沟道为Bi₂O₂Se纳米片。

5.如权利要求4所述的多模态感存算一体系统，其特征在于，所述硅/高k衬底是由硅衬底及其上的高k介质层组成的复合衬底，选自硅/氧化铝复合衬底和硅/氧化铪复合衬底；所述Bi₂O₂Se纳米片的厚度为10～20nm。

6.一种多模态感存算一体系统的实现方法，以二维半导体材料Bi₂O₂Se作为有效层沟道制备场效应晶体管，并基于该场效应晶体管的多模态传感特性、多模态突触可塑性和非线性抑制神经元特性，分别作为传感器、突触器件和神经元器件使用，将多个所述场效应晶体管集成在一起，构建多模态感存算一体系统。

7.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，外界信号通过传感器以电流形式I传输到突触器件构成的矩阵网络，矩阵网络提供权重值R，然后进行矩阵乘法运算，输出V＝I×R，最后进入神经元器件，经过非线性变换输出结果。

8.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述传感器包括光传感器和热传感器，所述突触器件包括光突触器件和热突触器件。

9.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述场效应晶体管为背栅场效应晶体管，包括衬底和位于衬底上的沟道，沟道两端分别为源极和漏极，其中，所述衬底为硅/高k衬底，所述沟道为Bi₂O₂Se纳米片。

10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，对于单个背栅场效应晶体管，根据下述方法实现相应特性：

1)温度传感特性：固定漏端电压Vd，提取关态区的沟道电阻随温度的变化，实现温度传感；

2)光传感特性：固定漏端电压Vd，在器件能够响应的波长范围内，固定光波长和栅极电压Vg，不同光功率密度下器件的输出特性曲线不同，具有光响应性，从而实现光传感；

3)光突触特性：固定漏端电压Vd，固定光波长和光功率密度，固定栅极电压Vg，采用脉冲光进行连续刺激，器件沟道电流长时间衰减不到初始水平，呈现长时程突触可塑性；施加连续的2个脉冲光刺激，第二个脉冲对沟道电流的影响高于第一个脉冲，呈现双脉冲易化特性；

4)热突触特性：固定漏端电压Vd和栅极电压Vg，对器件施加升温脉冲，沟道电流的回复缓慢；施加降温脉冲，每一个脉冲都相较前一个脉冲的沟道电流增加，呈现出热突触特性；

5)抑制神经元特性：固定栅极电压Vg，设置相同频率的漏端电压Vd脉冲信号，不同幅值的脉冲对应不同的电流脉冲发放次数，多次测试的统计性结果呈现出明显的“sigmoid”函数形式，呈现抑制神经元特性。

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