[發明專利]一種視網膜形態光電傳感陣列及其圖片卷積處理方法

在審

• 申請號: 202010189068.4
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111370526A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 繆峰;梁世軍;王晨宇
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113;H01L31/0224;H01L31/18;H01L27/146;G06N3/08;G06N3/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王恒靜

本發明公開了一種視網膜形態光電傳感陣列及其圖片卷積處理方法，該光電傳感器件其是在基底上具有底電極、電介質層、溝道層、源電極和漏電極的垂直堆疊的異質結結構，所述源電極和漏電極相互對峙，并置于所述溝道層的兩端，所述底電極、源電極和漏電極的材料為柔性電極所用材料、惰性金屬或者半金屬，所述電介質層的材料為絕緣材料，所述溝道層材料為雙極性材料，所述基底包括襯底以及生長于襯底表面的絕緣材料層。本發明利用新材料的物理特性，設計全新的類腦光電傳感器件，更好模擬人類視覺系統的細胞功能，實現了同時傳感、信息處理和識別的可重構人工神經網絡。

技術領域

本發明涉及光電傳感器、視覺芯片、人工神經網絡、半導體制備工藝的交叉領域，具體涉及一種視網膜形態光電器件、其制造方法及具有該光電器件的光電傳感陣列以及光電傳感陣列用于對輸入的視覺信息進行加工和識別的應用。

背景技術

視覺系統是人體感知外界信息的主要途徑。有研究表明，通過視覺系統傳輸的信息量可以占到感知信息總量的80％以上。因此，通過對視覺系統建模，并利用計算機進一步發揮其功能，研究人員開辟出了計算機視覺這一研究方向。自上世紀60年代以來，計算機視覺迅猛發展，被廣泛應用于各個領域，如制造、醫療、軍事、安防等。在某些特定方面，計算機視覺已經取得了和人類相當，甚至優于人類的成果。

但是，天然的生物視覺系統仍然在功能和效率上具備巨大的優勢。例如，人體視覺系統具有對于不同亮度的環境自動適應的特性，其探測的亮度范圍橫跨9個數量級(10-3-106cd/m2)；通過眼球控制運動，人眼可以快速自動的追蹤正在發生偏移的目標；利用視神經節細胞的稀疏編碼功能，視網膜處產生的視覺信息(等效于超過1億像素的高清圖片)可以低延時的傳輸到視覺皮層并被正確解碼；小樣本學習的能力可以使得視覺系統在輸入少數圖像樣本之后，便可以快速學習樣本特征并實現識別；在實現以上功能的同時，人腦的功耗是20W，工作頻率低至～10Hz，功耗密度(Power Density)只有現有通用處理器的千分之一。因此，為了進一步的將人類視覺系統的優勢與現有的計算機視覺成果相結合，研究人員提出了“神經形態視覺芯片”這一概念，目的就是通過對人體視覺系統的結構和功能上的模擬，將其在功能和功耗上的巨大優勢應用在計算機視覺領域。

該領域誕生于超大規模集成電路發展早期，加州理工大學的卡爾-米德教授率先提出，可以通過設計特殊的CMOS集成電路，來模擬視網膜中發生的視覺信息早期處理過程，提升信息的處理效率。米德教授的研究團隊利用蜂窩狀電路結構，成功對視網膜中的感光細胞和雙極性細胞進行了仿生，實現了諸如邊緣識別，大范圍亮度響應等功能；另外，視覺系統將信號的采集和早期處理緊密結合，并對后期處理進行分層的特點，也被借鑒并形成了信號采集、存儲、處理一體化的計算架構；而進入二十一世紀以來，參考了視覺系統的信息處理模式，研究人員又提出了幀驅動和事件驅動兩種信息處理驅動模式，實現了更為高效的神經形態視覺處理系統。

然而，這一領域還面臨著很多問題：例如，利用基于CMOS的集成電路來模擬視網膜中的細胞，會導致電路復雜程度的增加，降低視覺芯片的填充因子；快速發展的3D集成電路依然無法制備出類似視網膜的垂直分層結構；現有的計算架構在功耗上還是無法與生物視覺系統相提并論。此外，更重要的是，目前的神經形態視覺處理系統中的視覺探測器和處理器是分離的，對于目標物的識別最終需要在專有的加速器上完成。目前尚未存在一種光電探測器，其本身不僅可以同時進行視覺信息探測和處理，而且還具有學習和推理的能力，能夠實時識別出目標物。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術的不足，本發明提供一種網膜形態光電器件、其制造方法及具有該光電器件的光電傳感陣列，其解決模擬視網膜中的細胞導致電路復雜，功耗高以及由于視覺探測與處理器的分離造成的處理速度慢、光電傳感器和視覺信息處理器以及人工神經網絡分離的問題。