CN109960310B - 一种光电计算单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电计算单元，包括发光单元和计算单元。其中，发光单元的发光面紧贴着计算单元的输入面；计算单元包括载流子控制区、耦合区、以及光生载流子收集区和读出区；载流子控制区用于控制并调制光生载流子收集区和读出区内的载流子；光生载流子收集区和读出区中的收集区用于吸收发光单元发射的光子并收集产生的光生载流子；载流子控制区或者光生载流子收集区和读出区中的读出区与电信号连接，读出区用于输出被光生载流子和电信号作用后的载流子；耦合区连接收集区和读出区。本发明的光电计算单元可以实现高精度的光输入。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电计算单元，属于光学领域和半导体器件领域。
背景技术
光电计算单元为一种可以独立运算或者与目前电子计算技术相结合来进行运算的计算器件，其特点为：单器件即可实现“存-算一体功能”，集成度好，能效比高，兼容性强。
当光电计算单元组合为大型的光电计算阵列，来实现各种复杂的运算加速功能时，如何给大型阵列中的每一个光电计算单元进行精准并高效的光输入，是光电计算单元真正实用化道路上的一大障碍。因为传统计算器件中并不存在“光与电”混合参与运算的计算方式，更不存在大型光电计算阵列进行光输入的案例，因此找到行之有效的光输入方案，减少光输入串扰，提高光输入精度，增加光电计算单元的计算准确度，对于光电计算领域而言是一件迫在眉睫的事。
发明内容
针对以上现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可实现高精度光输入的光电计算单元。
本发明采用的技术方案如下：
一种光电计算单元，包括发光单元和计算单元，发光单元的发光面紧贴着计算单元的输入面；所述计算单元包括载流子控制区、耦合区，以及光生载流子收集区和读出区；所述载流子控制区用于控制并调制光生载流子收集区和读出区内的载流子；所述光生载流子收集区和读出区中的收集区用于吸收发光单元发射的光子并收集产生的光生载流子；所述载流子控制区或者光生载流子收集区和读出区中的读出区与电信号连接，读出区用于输出被所述光生载流子和所述电信号作用后的载流子；所述耦合区连接收集区和读出区。
进一步地，所述发光单元与计算单元之间设置有保护隔离层。
进一步地，多个所述光电计算单元周期性排列组成光电计算阵列，其中多个所述发光单元组成发光阵列，多个所述计算单元组成计算阵列，发光阵列的发光面紧贴着计算阵列的输入面。
优选地，所述发光阵列采用半导体光源。
进一步地，所述发光阵列为LED屏幕，直接贴附在计算阵列的表面。
进一步地，所述发光阵列与计算阵列通过封装技术集成在一起。
进一步地，所述发光阵列通过SOI技术制作在计算阵列的表面。
进一步地，所述发光阵列使用颜色按周期排列的多色光源，每一个发光单元的波长与其相邻发光单元的波长均不同；所述计算阵列的表面对应设有周期排列的滤色结构，每一个滤色结构的波长与其相邻滤色结构的波长均不同。
进一步地，所述发光阵列使用光强和出射光角度相关的顶发射OLED屏幕。
本发明的光电计算单元采用直接投影的方式来实现高精度的光输入，其结构简单，易于实现，且能大大提高光电计算的准确度。
附图说明
图1是计算单元的多功能区框图。
图2是光电计算阵列的结构示意图。
图3是实施例1计算单元结构的(a)截面图和(b)立体图。
图4是实施例2计算单元结构的(a)截面图和(b)立体图。
图5是实施例3计算单元的(a)结构示意图和(b)多功能区示意图。
图6是实施例4光电计算单元的直接贴附方案示意图。
图7是实施例5光电计算单元的晶圆级集成方案示意图。
图8是实施例6光电计算单元的封装级集成方案示意图。
图9是实施例7光电计算单元的器件级集成方案示意图。
图10是实施例8发光单元为多色光源滤色片光输入的方案示意图。
图11是实施例9发光单元为顶发射OLED直接投影的方案示意图。
图中：1-发光阵列，2-计算阵列，3-LED屏幕，4-光电计算芯片承载板，5-光源晶圆，6-计算晶圆，7-发光阵列芯片，8-计算阵列芯片，9-金线，10-封装外壳，11-计算单元，12-顶发射OLED屏幕。
具体实施方式
本发明的一种光电计算单元，采用直接投影的光输入方式，用输入光信号来调制半导体材料中所传输的电信号，以实现高精度的光电计算。
如图1所示，光电计算单元中的计算单元为包括三大功能区的多功能区结构，其中三大功能区为：载流子控制区、耦合区、光生载流子收集区和读出区，具体功能分别如下：
载流子控制区：负责控制并调制光电计算单元内的载流子，并且作为光电计算单元的电输入端口，输入其中一个运算量作为电输入量；或者只控制并调制光电计算单元内的载流子，通过其他区域输入电输入量。
耦合区：负责连接光生载流子收集区和读出区，使得光子入射产生的光生载流子作用于光电计算单元内的载流子，形成运算关系。
光生载流子收集区和读出区：其中收集区负责吸收入射的光子并收集产生的光生载流子，并且作为光电计算单元的光输入端口，输入其中一个运算量作为光输入量；读出区可以作为光电计算单元的电输入端口，输入其中一个运算量作为电输入量，并且作为光电计算单元的输出端口，输出被光输入量和电输入量作用后的载流子作为单元输出量；或者通过其他区域输入电输入量，读出区只作为光电计算单元的输出端口，输出被光输入量和电输入量作用后的载流子，作为单元输出量。
单个计算单元和一个发光单元组合成一个完整的光电计算单元，发光单元发出的光作为入射光电计算单元光生载流子收集和读出区的光子，参与运算。
使用多个上述光电计算单元周期性排列可以组成光电计算阵列，根据实现不同的计算功能，单元之间的组合方式也不同。光电计算阵列包括发光阵列1和计算阵列2，结构如图2所示。
由于单元组成光电计算阵列后，相邻的发光单元之间的距离往往很近，因此从一个发光单元中发出的光将以球面波的形式向下方传播，很难保证能够只入射其正下方的计算单元当中，如果某个发光单元发出的光不仅入射到其正下方的计算单元，也入射了与单元相邻的计算单元，则会导致相邻的计算单元的光输入量偏大，影响计算准确度，这种现象称为“光学串扰”。为了有效抑制光学串扰，提高光输入的精度，本发明采用了“直接投影”的方式来进行光输入。
实施例1
如图3所示，本实施例的计算单元包括：作为载流子控制区的控制栅极、作为耦合区的电荷耦合层，以及作为光生载流子收集区和读出区的P型衬底，P型衬底中分为左侧收集区和右侧读出区，其中右侧读出区中包括浅槽隔离、通过离子注入形成的N型源端和N型漏端。浅槽隔离位于半导体衬底中部、收集区和读出区的中间，浅槽隔离通过刻蚀并填充入二氧化硅来形成，以用于隔离收集区和读出区的电信号。N型源端位于读出区内靠近底层介质层的一侧，通过离子注入法掺杂而形成。N型漏端位于半导体衬底中靠近底层介质层与N型源端相对的另一侧，同样通过离子注入法进行掺杂法形成。应理解，本文中提及的左侧、右侧、上方以及下方只代表在通过图中所示视角观察下的相对位置随观察视角变化而变化，并不理解为对具体结构的限制。
在收集区的衬底上施加一个电压范围为负压的脉冲，或在控制栅上施加一个电压范围为正压的脉冲，使得收集区衬底中产生用于光电子收集的耗尽层，并通过右侧读出区读出收集的光电子数量，作为光输入端的输入量。读出时，在控制栅极上施加一正电压，使N型源端和收集区N型漏端间形成导电沟道，再通过在N型源端和N型漏端间施加一个偏置脉冲电压，使得导电沟道内的电子加速形成源漏之间的电流。源漏之间沟道内形成电流的载流子，受到控制栅电压、源漏间电压和收集区收集的光电子数量共同作用，作为被光输入量和电输入量共同作用后的电子，以电流的形式进行输出，其中控制栅电压、源漏间电压可以作为器件的电输入量，光电子数量则为器件的光输入量。
耦合区的电荷耦合层用于连接收集区和读出区，使收集区衬底内耗尽区开始收集光电子以后，收集区衬底表面势就会受到收集的光电子数量影响；通过电荷耦合层的连接，使得读出区半导体衬底表面势受到收集区半导体衬底表面势影响，进而影响读出区源漏间电流大小，从而通过判断读出区源漏间电流来读出收集区收集的光电子数量；
载流子控制区的控制栅，用以在其上施加一个脉冲电压，使得在P型半导体衬底读出区中产生用于激发光电子的耗尽区，同时也可以作为电输入端，输入其中一位运算量。
此外，P型半导体衬底和电荷耦合层之间存在用于隔离的底层介质层；电荷耦合层和控制栅之间亦存在用于隔离的顶层介质层。
实施例2
如图4所示，本实施例的计算单元包括：作为载流子控制区的控制栅极、作为耦合区的电荷耦合层，以及作为光生载流子收集区和读出区的P型半导体衬底，其中P型衬底中包含通过离子注入形成的N型源端和漏端。P型半导体衬底可以同时承担感光和读出的工作。N型源端位于读出区内靠近底层介质层的一侧，通过离子注入法掺杂而形成。N型漏端位于半导体衬底中靠近底层介质层与所述N型源端相对的另一侧，同样通过离子注入法进行掺杂法形成。
感光时，在P型半导体衬底上施加一个电压范围为负压的脉冲，同时在作为载流子控制区的控制栅极上施加一个电压范围为正压的脉冲，使得P型衬底中产生用于光电子收集的耗尽层，产生在耗尽区内的电子在控制栅极和P型衬底两端之间的电场作用下被加速，并在到达获得足够高的能量，穿过P型衬底和电荷耦合层之间的底层介质层势垒，进入电荷耦合层并储存于此，电荷耦合层中的电荷数量，会影响器件开启时的阈值，进而影响读出时的源漏间电流大小；读出时，在控制栅极上施加一脉冲电压，使N型源端和N型漏端间形成导电沟道，再通过在N型源端和N型漏端间施加一个脉冲电压，使得导电沟道内的电子加速形成源漏之间的电流。源漏之间的电流受到控制栅脉冲电压、源漏间电压和电荷耦合层中存储的电子数量共同作用，作为被光输入量和电输入量共同作用后的电子，以电流的形式进行输出，其中控制栅电压、源漏间电压可以作为器件的电输入量，电荷耦合层中存储的光电子数量则为器件的光输入量。
耦合区的电荷耦合层用于储存进入其中的光电子，并改变读出时器件阈值大小，进而影响读出区源漏间电流，从而通过判断读出区源漏间电流来读出感光时产生并且进入电荷耦合层中的光电子数量。
载流子控制区的控制栅，用以在其上施加一个脉冲电压，使得在P型半导体衬底读出区中产生用于激发光电子的耗尽区，同时也可以作为电输入端，输入其中一位运算量。
此外，P型半导体衬底和电荷耦合层之间存在一层用于隔离的底层介质层；电荷耦合层和控制栅之间亦存在一层用于隔离的顶层介质层。
实施例3
如图5所示，本实施例的计算单元包括：作为光生载流子收集和读出区的光电二极管和读出管，其中，光电二极管通过离子掺杂形成，负责感光。光电二极管的N区通过作为耦合区的光电子耦合引线连接到读出管的控制栅和复位管的源端上，读出管的漏端施加一正电压脉冲，作为读出电流的驱动电压；曝光前，复位管打开，复位管漏端电压施加到光电二极管上，使作为收集区的光电二极管处于反偏状态，产生耗尽层；曝光时，复位管关断，光电二极管被电学上隔离，光子入射光电二极管耗尽区后产生光电子，并在二极管中积累，二极管的N区和在电学上通过作为耦合区的光电子耦合引线和N区连接的读出管控制栅电势开始下降，进而影响读出管沟道内的电子浓度。读出管负责读出，其漏端施加一正脉冲电压，源端和选址管漏端连接，读出时，打开选址管，读出管中产生电流电流,电流大小受到复位管漏端电压、读出管漏端电压和入射光子数共同影响，读出管沟道内的电子，作为被光输入量和电输入量共同作用后的电子，以电流的形式输出，其中复位管漏端电压、读出管漏端电压可以作为器件的电输入量，电入射光子数则为器件的光输入量。
耦合区的光电子耦合引线用于连接作为光生载流子收集和读出区中收集区的光电二极管和作为读出区的读出管，将光电二极管N区电势施加到读出管控制栅上。
作为载流子控制区的复位管，通过其漏端输入一个正电压作用于光电二极管，当复位管打开时，正电压即会作用在光电二极管上，使光电二极管产生耗尽区并感光，同时也可以作为电输入端，输入其中一位运算量。
此外，选址管用于控制整个运算器件作为输出量的输出电流的输出，可以在光电计算单元组成阵列时行列选址使用。
实施例4
使用已经完成了封装后的独立LED屏幕3作为光电计算阵列中的发光阵列1。先将LED屏幕3去除外屏后，直接紧密贴合在完成了切片和封装后的、独立的包含计算阵列2的芯片表面，其中LED屏幕3的发光面正对着计算阵列2的接收入射光子的表面，如图6所示，屏幕中光源和下方计算单元的垂直距离越小，则光学串扰也就越小。
实施例5
使用硅基光电二极管或其他可以与目前的晶圆堆叠技术兼容的光源制作技术，制作包含发光阵列1的完整光源晶圆5。再通过晶圆3D堆叠技术，将光源晶圆5直接与包含计算阵列2的计算晶圆6进行三维集成，并保证计算阵列2的接收光的那一面正对着发光阵列1的发光面，如图7所示。之后再进行切割和封装，使用这种方式，能进一步缩小发光单元和计算单元之间的距离，达到微米级别。
所谓晶圆堆叠技术，即指将完成完整流片流程的晶圆进行面对面的“铜对铜”堆叠，两片晶圆之间通过顶层金属电极和3D通孔来充当TSVs(硅通孔)，实现两片晶圆在电学上的连接。针对本实施例中计算单元晶圆和发光单元晶圆的集成，可以以计算单元晶圆为基底，发光单元晶圆倒扣在计算单元晶圆上，并将发光单元晶圆上所需的电极与计算单元晶圆上预留的用于集成的电极通过通孔连接，即可完成3D的晶圆集成。
实施例6
在芯片完成切片后的封装阶段，将发光阵列芯片7与计算阵列芯片8进行封装级的三维集成，并保证计算阵列2的接收光的那一面正对着发光阵列1的发光面，之后再用封装外壳10封装为一个包含发光阵列1和计算阵列2的光电计算芯片。使用这种方式，同样也能进一步缩小发光单元和光电计算单元之间的距离，达到微米级别，但是并不需要经过实施例2中使用的3D晶圆堆叠技术中必须经过的高温过程。
封装阶段的三维芯片集成特制不需要使用TSVs(硅通孔)技术即可实现的芯片三维集成，一般采用金线9来进行上下层芯片之间的电学连接，针对发光阵列芯片7与计算阵列芯片8的封装集成，因为二者可以不必进行电学连接，因此只需要让二者的距离尽量紧贴，并将两块芯片的电极分别通过金线9引出即可，技术上实现更加容易，如图8所示。
实施例7
在晶圆流片阶段，采用SOI(Silicon-On-Insulator)技术，通过在计算单元有源区和金属层上方生长氧化层后，再在氧化层上方直接制作半导体光源作为发光单元，这种结构能更进一步地缩小发光单元和光电计算单元之间的距离，使用这种方法，可以使二者之间的距离甚至小于微米级别，如图9所示。
实施例8
本实施例的发光阵列1为多色光源，每个发光单元与其相邻发光单元的波长均不同。光电计算阵列中每一个计算单元的表面均设有一个窄带滤色片，每个计算单元与其相邻计算单元上的滤色片的波长均不同，以保证每个计算单元只与上方的发光单元在光学上对应，而相邻发光单元发出的光因为波长和滤色片的波长不匹配而无法入射到该计算单元，从而能保证所有光源同时曝光的同时，也抑制了光串扰的产生。如图10所示，为一使用450nm、500nm、550nm和600nm四种颜色的光源和滤色片组成的系统的光输入实例方案。
实施例9
本实施例的发光阵列1使用的光源为顶发射OLED屏幕12，是由多个OLED像素组成的阵列。利用顶发射OLED像素出射光能量多数集中在小出射角的区域的特性，减小发光单元发出的光子照射到其垂直正下方计算单元11周边的单元上的数量，如图11所示。
发光阵列1可以使用奥雷德公司的型号WVGA041SG小尺寸OLED，单个像素尺寸为11.1um*11.1um，因此光电计算阵列的单个光电计算单元也使用相同的11.1um*11.1um。顶发射OLED屏幕12的外层从上到下分为玻璃保护层、彩色过滤层、阴极、发光薄膜和阳极，因为WVGA041SG为绿光单色OLED，因此不存在彩色过滤层。计算阵列所在的计算阵列芯片8进行开口封装，使芯片正面完全裸露。
先去除OLED屏外层的玻璃保护层，并将顶发射OLED屏幕12倒扣到计算阵列芯片8表面，此时OLED中的发光薄膜距离计算阵列芯片8中的光生载流子收集和读出区中的收集区的垂直距离为约0.6mm。驱动顶发射OLED屏幕12发出符合光电计算光输入数据要求的光强，并驱动下方计算单元接收该数据，即将完成光电计算的高精度光输入。
在上述情况下，如将下方的计算阵列芯片8更换为图像传感器芯片，则可以标定出光输入的串扰大小，经标定，上述方案可以让相邻光电计算单元同时进行光输入的情况下，光输入精度不低于4比特，假如配合分时曝光技术，则可以让光输入精度达到8比特甚至更高。
Claims (6)
1.一种光电计算单元，包括发光单元和计算单元，其特征在于，发光单元的发光面紧贴着计算单元的输入面；所述计算单元包括载流子控制区、耦合区、以及光生载流子收集区和读出区；所述载流子控制区用于控制并调制光生载流子收集区和读出区内的载流子；所述光生载流子收集区和读出区中的收集区用于吸收发光单元发射的光子并收集产生的光生载流子；所述载流子控制区或者光生载流子收集区和读出区中的读出区与电信号连接，读出区用于输出被所述光生载流子和所述电信号作用后的载流子；所述耦合区连接收集区和读出区；多个所述光电计算单元周期性排列组成光电计算阵列，其中多个所述发光单元组成发光阵列，多个所述计算单元组成计算阵列，发光阵列的发光面紧贴着计算阵列的输入面；所述发光阵列采用半导体光源；所述发光阵列使用颜色按周期排列的多色光源，每一个发光单元的波长与其相邻发光单元的波长均不同；所述计算阵列的表面对应设有周期排列的滤色结构，每一个滤色结构的波长与其相邻滤色结构的波长均不同。
2.根据权利要求1所述的一种光电计算单元，其特征在于，所述发光单元与计算单元之间设置有保护隔离层。
3.根据权利要求1所述的一种光电计算单元，其特征在于，所述发光阵列为LED屏幕，直接贴附在计算阵列的表面。
4.根据权利要求1所述的一种光电计算单元，其特征在于，所述发光阵列与计算阵列通过封装技术集成在一起。
5.根据权利要求1所述的一种光电计算单元，其特征在于，所述发光阵列通过SOI技术直接制作在计算阵列的表面。
6.根据权利要求1所述的一种光电计算单元，其特征在于，所述发光阵列使用光强和出射光角度相关的顶发射OLED屏幕。
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