一种同质结型感存算集成器件及其制备方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种同质结型感存算集成器件及其制备方法。

背景技术：

1、计算机中的芯片工作模式均基于冯·诺依曼式架构开展，存在着计算效率受限、功耗巨大、难以满足大数据的处理要求等问题，迫切需要开发一种新型的存算一体器件以改善存储单元与计算单元物理分离的现状。神经形态器件作为一种新型的存算一体器件，可以在同一器件单元实现存储与计算的功能，避免数据频繁地在存储芯片与计算芯片之间的传输移动，极大程度提高了芯片的计算效率并降低了芯片的功耗。因此，神经形态器件在后摩尔时代下实现存算一体具有明显优势。

2、另一方面，信息传感单元与信息存算单元之间同样存在巨大的鸿沟，不仅需要额外的引线互连，而且需要添加额外的模数转换器进行信号的转换，限制了芯片整体效率的提升。尽管神经形态器件可以将存储与计算功能集成，但仍难以实现信息的采集功能，导致整体芯片的效率受限。受到生物的启发，开发类似于视觉系统的感存算一体化集成器件对于实现高效的信息采集至关重要。人体视觉系统不仅可以实现光学信息的感知，而且可以在正式计算前进行部分预处理，调节光信息感受状态，从而高效及时地将感知得到的信息进行识别与记忆。这一工作模式启发了集成电路芯片的结构设计与开发，通过将感知、存储与计算功能在单一器件集成将提高芯片的工作效率。因此，从器件结构、材料体系等方面对最小器件单元进行设计，开发具有感存算集成功能的器件具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明公开一种同质结型的感存算集器件及其制备方法。通过对同种材料进行不同的工艺处理，不仅避免了不同材料体系间的工艺兼容问题以及能带匹配问题，而且将器件的响应从电激励的神经形态存算功能拓展为光、电共激励的感存算一体化功能，避免了信息在不同单元间的频繁传输，极大程度降低了生产成本与系统能耗，用于构建柔性感存算一体化的神经形态计算体系。

2、同质结型感存算集成器件包括：柔性衬底；底电极，其为有机导电聚合物，形成在所述柔性衬底上；第一功能层，其为经退火后的三元素n型氧化物半导体薄膜，具有光电响应的结晶相，形成在所述底电极上；第二功能层，其为未经退火的三元素n型氧化物半导体薄膜，与所述第一功能层的材料相同，共同构成同质结；多个彼此间隔分布的凹槽，贯穿所述第二功能层和所述第一功能层至底电极，其内填充有隔离层；顶电极，形成在所述第二功能层上，其中，第一功能层在光照下产生光生载流子，对光学信息进行感知，并以电流的形式反馈至器件，同时借助第二功能层的忆阻特性，以实现整体器件状态的记忆存储，通过对器件不断地施加光电信号，实现器件电导的连续调制，从而实现神经形态计算中权重更迭。

3、本发明的同质结型感存算集成器件中，优选为，所述有机导电聚合物为pedot:pss、聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚对苯、聚苯胺或聚对苯撑乙烯。

4、本发明的同质结型感存算集成器件中，优选为，所述三元素n型氧化物半导体薄膜为zntiox、zntaox、hftiox或hftaox。

5、本发明的同质结型感存算集成器件中，优选为，所述退火的温度为400-600℃，时长为30分钟-2小时。

6、本发明的同质结型感存算集成器件中，优选为，所述隔离层为si3n4薄膜、sio2薄膜、al2o3薄膜或硅的氮氧化物。

7、同质结型感存算集成器件制备方法包括以下步骤：在柔性衬底上形成有机导电聚合物，作为底电极；在所述底电极上形成三元素n型氧化物半导体薄膜，进行退火处理，使其转变为具有光电响应的结晶相，作为第一功能层；在所述第一功能层上形成三元素n型氧化物半导体薄膜作为第二功能层，其与所述第一功能层的材料相同，共同构成同质结；对所述第二功能层和所述第一功能层进行刻蚀，贯穿所述第二功能层和所述第一功能层至底电极，形成多个彼此间隔分布的凹槽；在所述凹槽中填充隔离层；在所述第二功能层上形成顶电极，其中，第一功能层在光照下产生光生载流子，对光学信息进行感知，并以电流的形式反馈至器件，同时借助第二功能层的忆阻特性，以实现整体器件状态的记忆存储，通过对器件不断地施加光电信号，实现器件电导的连续调制，从而实现神经形态计算中权重更迭。

8、本发明的同质结型感存算集成器件制备方法中，优选为，所述有机导电聚合物为pedot:pss、聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚对苯、聚苯胺或聚对苯撑乙烯。

9、本发明的同质结型感存算集成器件制备方法中，优选为，所述三元素n型氧化物半导体薄膜为zntiox、zntaox、hftiox或hftaox。

10、本发明的同质结型感存算集成器件制备方法中，优选为，所述退火的温度为400-600℃，时长为30分钟-2小时。

11、本发明的同质结型感存算集成器件制备方法中，优选为，所述三元素n型氧化物半导体薄膜的厚度为10-20nm。

12、有益效果：

13、(1)开发神经形态器件代替传统的冯·诺依曼式存储器件，可以实现类脑计算、并行计算的工作模式，以极低的功耗完成复杂的数据计算任务，符合后摩尔时代新型器件的发展要求。

14、(2)受到生物体系的启发，打破传统分离的器件结构，通过器件功能层的设计直接在同一器件实现感知、存储与计算的功能，避免了信息频繁地在不同功能单元间的搬运传输，提高了芯片的处理效率并降低了芯片的功耗。

15、(3)采用同质结的设计实现器件功能的拓展，仅仅通过材料体系的处理便实现了功能的拓展，极大程度地降低了生产成本，简化了生产工艺，避免了不同材料间的工艺不匹配、能带不匹配等问题。

技术特征：

1.一种同质结型感存算集成器件，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的同质结型感存算集成器件，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的同质结型感存算集成器件，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的同质结型感存算集成器件，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的同质结型感存算集成器件，其特征在于，

6.一种同质结型感存算集成器件制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的同质结型感存算集成器件制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的同质结型感存算集成器件制备方法，其特征在于，

9.根据权利要求6所述的同质结型感存算集成器件制备方法，其特征在于，

10.根据权利要求6所述的同质结型感存算集成器件制备方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开一种同质结型感存算集成器件及其制备方法。该同质结型感存算集成器件包括：柔性衬底；底电极，其为有机导电聚合物，形成在所述柔性衬底上；第一功能层，其为经退火后的三元素n型氧化物半导体薄膜，具有光电响应的结晶相，形成在所述底电极上；第二功能层，其为未经退火的三元素n型氧化物半导体薄膜，与所述第一功能层的材料相同，共同构成同质结；多个彼此间隔分布的凹槽，贯穿所述第二功能层和所述第一功能层至底电极，其内填充有隔离层；顶电极，形成在所述第二功能层上，其中，第一功能层在光照下产生光生载流子，对光学信息进行感知，并以电流的形式反馈至器件，同时借助第二功能层的忆阻特性，以实现整体器件状态的记忆存储，通过对器件不断地施加光电信号，实现器件电导的连续调制，从而实现神经形态计算中权重更迭。

技术研发人员：孟佳琳,王天宇,陈琳,孙清清,张卫
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13