一种新型相变电控光子神经元器件及其制备方法与应用

本发明属于光电子技术相关，更具体地，涉及一种新型相变电控光子神经元器件及其制备方法与应用。

背景技术：

1、神经形态计算模拟人脑神经网络的计算方式，是一种存算一体化的新型计算范式，其中的光子神经网络借助光子低功耗、低延迟、超高并行度的优势，可以极大地提升系统的运行效率，具有极大的应用潜力。光子神经网络由光子突触器件和光子神经元器件组成。其中，神经元器件是光子神经网络中的重要组成部分，用来整合突触的信号并产生动作电位。光子神经元器件的实现通常包括片上和片外两种方式，其中片上集成的器件可以兼容其他光子有源/无源器件，构建片上计算系统，实现更为复杂的功能，其相比于片外具有有效尺寸小、可扩展性高、计算速度快、与电子cmos工艺兼容等优势，受到广泛地关注。

2、传统片上集成的无源光子器件主要依靠热光效应和载流子色散效应调节，其折射率改变量有限，需要较大尺寸实现光学透过率改变，且控制回路复杂，具有较高的能耗。基于相变材料的异质混合集成波导构建光子器件表现出巨大优势，相变材料具有快速相变、高光学对比度、易于集成等优势。但是，目前采用的相变材料主要是ge2sb2te5三元及其掺杂体系，由其构建的光子神经元器件具有非易失性，无法自行恢复至静息电位，需要反馈回路控制神经元回到静息电位，增加了光子神经网络的复杂性和可扩展性。中国专利申请cn115034377a中虽然提及一种易失性神经元材料的设计，但是其只提供了单质te神经元这一种具体的实施例，且具有静息电位波动的问题。

3、因此，设计一种能够稳定回至静息电位的易失性神经元器件，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型相变电控光子神经元器件及其制备方法与应用，其目的在于使神经元器件具有易失性且能够稳定回至静息电位。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种新型相变电控光子神经元器件，其包括基底、位于所述基底上的波导层、位于所述波导层上的相变材料层以及对所述相变材料层进行加热的加热层；

3、其中，所述相变材料层的化学通式为sbxtey，x+y=1，0.6<y<1，所述相变材料层具有物性不同的两相，分别为sb2te3相和te相，所述sb2te3相镶嵌在te相内形成岛状结构；

4、当所述加热层温度升高至大于te相状态转变阈值时，te相由晶态变成非晶态或熔融态，sb2te3相维持晶态；当所述加热层温度降低至小于te相状态转变阈值时，te相以晶态的sb2te3相为形核位点，由非晶态或熔融态转换为晶态。

5、进一步地，所述加热层选自ito、in2o3、azo、tio2中的任一种。

6、进一步地，所述器件还包括与所述加热层接触的电极层，所述电极层用于接入外部电源并向所述加热层通入电流以调节所述加热层的温度。

7、进一步地，所述电极层为ti、cr、pt、au、al、w中的一种或者多种的组合。

8、本发明还提供了一种新型相变电控光子神经元器件的制备方法，其包括：

9、在基底上形成波导层；

10、在所述波导层上形成相变材料初始层，所述相变材料初始层的化学通式为sbxtey，x+y=1，0.6<y<1；

11、在所述相变材料初始层上形成加热层；

12、在所述加热层上的两端形成电极层；

13、向所述电极层施加预处理脉冲电压，通过所述加热层对所述相变材料初始层进行加热，以使所述相变材料初始层中的sb原子和te原子结合形成稳定的sb2te3相，所述sb2te3相镶嵌在te相内并形成岛状结构，得到相变材料层。

14、进一步地，所述预处理脉冲电压的电压幅值在0.5 v -5 v，脉冲宽度为50 μs -800 μs。

15、本发明还提供了一种片上光子神经网络系统，其包含非线性激活层和调控单元，所述非线性激活层为如上所述的新型相变电控光子神经元器件，所述调控单元用于向电极层施加电压脉冲，以使所述相变材料层的透过率随所述电压脉冲的大小呈非线性变化。

16、进一步地，所述调控单元用于调控电压脉冲的幅值以调控所述相变材料层的光线透过率。

17、本发明还提供了一种片上光子神经网络系统，其包含概率激活层和调控单元，所述概率计算层为如上所述的新型相变电控光子神经元器件，所述调控单元用于向电极层施加电压脉冲，以使所述相变材料层的透过率随所述电压脉冲的大小呈随机性变化。

18、进一步地，所述调控单元用于调控电压脉冲的宽度以调控所述相变材料层光线随机透过的概率。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明主要具有以下有益效果：

20、本发明提供的新型相变电控光子神经元器件，其设置有相变材料层，相变材料层采用sb、te两种元素，在制备时使相变材料层中出现物性不同的两相，分别为sb2te3相和te相，sb2te3相镶嵌在te相内形成岛状结构，通过调控sb、te两种元素的比例来调控两相的比例，te相的相态转变阈值低于sb2te3相的相态转变阈值，在常温下，sb2te3相和te相均处于晶态，当加热层温度升高至大于te相状态转变阈值时，在加热层热诱导作用下，te相由晶态变成非晶态或熔融态，而sb2te3相维持晶态；当降低温度时，te相在低温下自发结晶，产生易失性变化，并且在结晶期间以适量的晶态sb2te3相为形核位点，能够促进相变材料层快速稳定地结晶。材料相变前后的光学常数差异，使得波导中光从相变材料层的透过率随之产生易失性变化，实现神经元自发回到稳定静息电位的功能。

技术特征：

1.一种新型相变电控光子神经元器件，其特征在于，包括基底、位于所述基底上的波导层、位于所述波导层上的相变材料层以及对所述相变材料层进行加热的加热层；

2.如权利要求1所述的新型相变电控光子神经元器件，其特征在于，所述加热层选自ito、in2o3、azo、tio2中的任一种。

3.如权利要求1或2所述的新型相变电控光子神经元器件，其特征在于，所述器件还包括与所述加热层接触的电极层，所述电极层用于接入外部电源并向所述加热层通入电流以调节所述加热层的温度。

4.如权利要求3所述的新型相变电控光子神经元器件，其特征在于，所述电极层为ti、cr、pt、au、al、w中的一种或者多种的组合。

5.一种新型相变电控光子神经元器件的制备方法，其特征在于，包括：

6.如权利要求5所述的新型相变电控光子神经元器件的制备方法，其特征在于，所述预处理脉冲电压的电压幅值在0.5 v -5 v，脉冲宽度为50 μs -800 μs。

7.一种片上光子神经网络系统，其特征在于，包含非线性激活层和调控单元，所述非线性激活层为如权利要求3或4所述的新型相变电控光子神经元器件，所述调控单元用于向电极层施加电压脉冲，以使所述非线性激活层的透过率随所述电压脉冲的大小呈非线性变化。

8.如权利要求7所述的片上光子神经网络系统，其特征在于，所述调控单元用于调控电压脉冲的幅值以调控所述相变材料层的光线透过率。

9.一种片上光子神经网络系统，其特征在于，包含概率激活层和调控单元，所述概率激活层为如权利要求3或4所述的新型相变电控光子神经元器件，所述调控单元用于向电极层施加电压脉冲，以使所述相变材料层的透过率随所述电压脉冲的大小呈随机性变化。

10.如权利要求9所述的片上光子神经网络系统，其特征在于，所述调控单元用于调控电压脉冲的宽度以调控所述相变材料层光线随机透过的概率。

技术总结
本发明属于光电子相关技术领域，其公开了一种新型相变电控光子神经元器件及其制备方法与应用，器件包括：基底、波导层、相变材料层以及加热层；相变材料层的化学通式为Sb<subgt;x</subgt;Te<subgt;y</subgt;，x+y=1，0.6<y<1，相变材料层具Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;相和Te相，Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;相镶嵌在Te相内形成岛状结构；当加热层温度升高时，在加热层热诱导作用下，Te相由晶态变成非晶态或熔融态，而Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;相维持晶态；当降低温度时，Te相在低温下自发结晶且以晶态Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;3</subgt;相为形核位点，能够促进相变材料层快速稳定地结晶，实现神经元自发回到稳定静息电位的功能。

技术研发人员：杨蕊,董云潇,缪向水
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/19