CN109976441B - 一种可实现高精度光输入的光电计算装置 - Google Patents

一种可实现高精度光输入的光电计算装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实现高精度光输入的光电计算装置。包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；发光阵列进行分时发光。本发明的光电计算装置可实现高精度的光输入。

Description

一种可实现高精度光输入的光电计算装置
技术领域
本发明涉及一种可实现高精度光输入的光电计算装置，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，增加光电计算装置的计算准确度，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装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种可实现高精度光输入的光电计算装置，包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；所述发光阵列进行分时发光。
进一步地，所述发光单元与计算单元的数量相同且位置一一对应。
进一步地，发光状态处于同一时刻的发光单元不相邻，计算单元的光输入状态与对应的发光单元的发光状态保持同步。
本发明另一种可实现高精度光输入的光电计算装置，包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；相邻计算单元在物理位置上不紧挨。
进一步地，相邻计算单元之间均设有隔离区。
本发明还有一种可实现高精度光输入的光电计算装置，包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；所述发光单元持续发光，相邻计算单元的光吸收时长不相同。
进一步地，所述发光单元的数量少于或等于计算单元的数量。
本发明的光电计算装置通过分时或分区域的方式，可以实现高精度的光输入。该装置结构简单，易于实现，且能大大提高光电计算的准确度。
附图说明
图1为计算单元的多功能区框图。
图2是光电计算装置的结构示意图。
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为实施例4通过分时方法进行光输入的示意图。
图7为实施例5通过分区域光方法进行光输入的示意图。
图8为实施例6通过一个可以发出均匀光的发光单元进行光输入的示意图。
图9为实施例6的装置结构示意图。
图中：1-发光阵列，2-计算阵列，3-积分球，4-光电计算芯片，5-芯片承载板及控制电路，6-入光口，7-出光口。
具体实施方式
本发明的一种光电计算装置，借助于分时或分区域输入的方式将光信号用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，计算阵列2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，作为单元的输出量。
如果将发光阵列1和计算阵列2直接组成光电计算装置(见图2)，则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，本发明采用分时或分区域进行光输入的方式。
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
本实施例中的发光单元与计算单元的数量相同且位置一一对应。由于光学串扰多发生在相邻的光电计算单元之间，因此可以通过对光电计算单元在电学状态上进行控制，在不改变特定功能阵列的布线方式的情况下，使相邻的计算单元不在同一时刻进入光输入状态，同时与计算单元在光学上相对应的发光单元，也与计算单元同步，进入或不进入发光状态。
如图6所示，为3*3的光电计算阵列组成的矩阵向量乘法器通过分时方法进行光输入的示意图。
实施例5
本实施例的光输入方式为改变功能阵列的布线和光电计算阵列的排布方式，使得需要同时处于光输入状态的计算单元在物理位置上不紧挨，在相邻计算单元之间设置隔离区或者其他功能光电计算阵列。同时与计算单元在光学上相对应的发光单元，也与光电计算单元同步，进入或不进入发光状态。
如图7所示，为3*3的光电计算阵列组成的矩阵向量乘法器通过分区域光输入方法进行光输入的例子。
实施例6
本实施例的光输入方式为使用数量少于计算单元数量的、可在一定面积内发出均匀光的发光单元进行光输入。计算单元具体的光输入量取决于通过计算单元的电学条件使该单元处于光输入阶段的时间长短，如图8所示，为3*3的光电计算阵列组成的矩阵向量乘法器使用一个可以发出均匀光的发光单元进行光输入的方法进行光输入的例子，装置的具体示意图如图9所示，均匀光源使用积分球3来获得。
利用LED光源从积分球3的入光口6输入入射光，从出光口7获得均匀光后照射到光电计算芯片4的表面，3*3的矩阵向量乘光电计算阵列假如需要计算如下矩阵向量乘法运算：
Figure BDA0002014854070000061
则控制3*3中的光电计算单元，在接收到积分球3射出的均匀光后，分别进入光输入阶段2、0、0、0、5、0、1、0、1对应的时长，假如此计算单元对于入射光子产生的增益为线性且正相关的，则分别让计算单元处于光输入阶段20ms、0、0、0、50ms、0、10ms、0、10ms时长。完成光输入后，从电输入端再分别输入代表1、0、1的载流子，并在光生载流子收集区和读出区处接收运算结果，即可得到该矩阵向量乘的运算结果。

Claims (7)

1.一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，光电计算装置包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；所述发光阵列进行分时发光。
2.根据权利要求1所述的一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，所述发光单元与计算单元的数量相同且位置一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，发光状态处于同一时刻的发光单元不相邻，计算单元的光输入状态与对应的发光单元的发光状态保持同步。
4.一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，光电计算装置包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；相邻计算单元在物理位置上不紧挨。
5.根据权利要求4所述的一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，相邻计算单元之间均设有隔离区。
6.一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，光电计算装置包括由多个发光单元周期排列组成的发光阵列和由多个计算单元周期排列组成的计算阵列，发光阵列发出的光入射到计算阵列中；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；所述发光单元持续发光，相邻计算单元的光吸收时长不相同。
7.根据权利要求6所述的一种可实现高精度光输入的光电计算装置，其特征在于，所述发光单元的数量少于或等于计算单元的数量。
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