[發明專利]一種同質結型感存算集成器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202211603603.1
• 申請日: 2022-12-13
• 公開（公告）號: CN116322285A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 孟佳琳;王天宇;陳琳;孫清清;張衛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H10N70/20
• 分類號: H10N70/20;H10B63/00;G06N3/067
• 代理公司: 北京得信知識產權代理有限公司 11511
• 代理人: 孟海娟

本發明公開一種同質結型感存算集成器件及其制備方法。該同質結型感存算集成器件包括：柔性襯底；底電極，其為有機導電聚合物，形成在所述柔性襯底上；第一功能層，其為經退火后的三元素n型氧化物半導體薄膜，具有光電響應的結晶相，形成在所述底電極上；第二功能層，其為未經退火的三元素n型氧化物半導體薄膜，與所述第一功能層的材料相同，共同構成同質結；多個彼此間隔分布的凹槽，貫穿所述第二功能層和所述第一功能層至底電極，其內填充有隔離層；頂電極，形成在所述第二功能層上，其中，第一功能層在光照下產生光生載流子，對光學信息進行感知，并以電流的形式反饋至器件，同時借助第二功能層的憶阻特性，以實現整體器件狀態的記憶存儲，通過對器件不斷地施加光電信號，實現器件電導的連續調制，從而實現神經形態計算中權重更迭。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種同質結型感存算集成器件及其制備方法。

背景技術

計算機中的芯片工作模式均基于馮·諾依曼式架構開展，存在著計算效率受限、功耗巨大、難以滿足大數據的處理要求等問題，迫切需要開發一種新型的存算一體器件以改善存儲單元與計算單元物理分離的現狀。神經形態器件作為一種新型的存算一體器件，可以在同一器件單元實現存儲與計算的功能，避免數據頻繁地在存儲芯片與計算芯片之間的傳輸移動，極大程度提高了芯片的計算效率并降低了芯片的功耗。因此，神經形態器件在后摩爾時代下實現存算一體具有明顯優勢。

另一方面，信息傳感單元與信息存算單元之間同樣存在巨大的鴻溝，不僅需要額外的引線互連，而且需要添加額外的模數轉換器進行信號的轉換，限制了芯片整體效率的提升。盡管神經形態器件可以將存儲與計算功能集成，但仍難以實現信息的采集功能，導致整體芯片的效率受限。受到生物的啟發，開發類似于視覺系統的感存算一體化集成器件對于實現高效的信息采集至關重要。人體視覺系統不僅可以實現光學信息的感知，而且可以在正式計算前進行部分預處理，調節光信息感受狀態，從而高效及時地將感知得到的信息進行識別與記憶。這一工作模式啟發了集成電路芯片的結構設計與開發，通過將感知、存儲與計算功能在單一器件集成將提高芯片的工作效率。因此，從器件結構、材料體系等方面對最小器件單元進行設計，開發具有感存算集成功能的器件具有重要意義。

發明內容

本發明公開一種同質結型的感存算集器件及其制備方法。通過對同種材料進行不同的工藝處理，不僅避免了不同材料體系間的工藝兼容問題以及能帶匹配問題，而且將器件的響應從電激勵的神經形態存算功能拓展為光、電共激勵的感存算一體化功能，避免了信息在不同單元間的頻繁傳輸，極大程度降低了生產成本與系統能耗，用于構建柔性感存算一體化的神經形態計算體系。

同質結型感存算集成器件包括：柔性襯底；底電極，其為有機導電聚合物，形成在所述柔性襯底上；第一功能層，其為經退火后的三元素n型氧化物半導體薄膜，具有光電響應的結晶相，形成在所述底電極上；第二功能層，其為未經退火的三元素n型氧化物半導體薄膜，與所述第一功能層的材料相同，共同構成同質結；多個彼此間隔分布的凹槽，貫穿所述第二功能層和所述第一功能層至底電極，其內填充有隔離層；頂電極，形成在所述第二功能層上，其中，第一功能層在光照下產生光生載流子，對光學信息進行感知，并以電流的形式反饋至器件，同時借助第二功能層的憶阻特性，以實現整體器件狀態的記憶存儲，通過對器件不斷地施加光電信號，實現器件電導的連續調制，從而實現神經形態計算中權重更迭。

本發明的同質結型感存算集成器件中，優選為，所述有機導電聚合物為PEDOT:PSS、聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚對苯、聚苯胺或聚對苯撐乙烯。

本發明的同質結型感存算集成器件中，優選為，所述三元素n型氧化物半導體薄膜為ZnTiOx、ZnTaOx、HfTiOx或HfTaOx。

本發明的同質結型感存算集成器件中，優選為，所述退火的溫度為400-600℃，時長為30分鐘-2小時。