CN110018711B - 一种光电计算阵列及其自对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电计算阵列及其自对准方法。光电计算阵列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，计算阵列的周围设置有一圈或多圈对准单元，对准单元与计算单元的结构相同；发光单元的数量大于计算单元与对准单元的数量之和；发光单元发出的光入射到与其光学位置对应的计算单元和对准单元。本发明的光电计算阵列能够实现高精度的光输入，并大大提高光电计算的准确度，其自对准的方法简单，易于实现。

Description

一种光电计算阵列及其自对准方法

技术领域

本发明涉及一种光电计算阵列及其自对准的方法，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。

作为光输入的发光阵列在位置上必须与计算阵列“对准”，才能够实现高精度光输入，因为光电计算单元和发光单元的尺寸多为微米级别，如果发光阵列和计算阵列在位置上出现了几十个微米的偏差，就会导致多个计算单元没有对应的发光单元用于光输入，甚至导致整个发光阵列和计算阵列的光输入数据错位。

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自动对准的光电计算阵列及其对准方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种光电计算阵列，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，计算阵列的周围设置有一圈或多圈对准单元，对准单元与计算单元的结构相同；所述发光单元的数量大于计算单元与对准单元的数量之和；发光单元发出的光入射到与其光学位置对应的计算单元和对准单元。

进一步地，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，所述计算单元包括P型半导体衬底，P型半导体衬底内的一侧为收集区，另一侧为读出区，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，所述浅槽隔离位于收集区和读出区之间；所述P型半导体衬底上方依次设有底层介质层、电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极。

进一步地，所述计算单元包括作为载流子控制区的复位管、作为耦合区的光电子耦合引线，以及作为光生载流子收集区和读出区的光电二极管和读出管，光电二极管的N区通过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，复位管的漏端和读出管的漏端分别输入正电压。

本发明一种光电计算阵列的自对准方法，具体步骤如下：控制发光阵列在每一时刻只有某一行和某一列的发光单元发光，同时对准单元进入光输入状态并输入恒定的电输入量且实时输出计算结果，当与校准单元在光学位置上相对应的发光单元发光时，即可导致校准单元输出的计算结果发生改变，根据对准单元与计算阵列之间的相对距离从而获得发光阵列和计算阵列的对准关系，完成自对准。

本发明的光电计算阵列能够实现高精度的光输入，并大大提高光电计算的准确度。本发明自对准的方法简单，易于实现，能够在任意状态下获得计算阵列与发光阵列在光学上的对准关系，从而完成自对准。

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是用于自对准的光电计算阵列结构示意图。

图4是实施例1计算单元结构的(a)截面图和(b)立体图。

图5是实施例2计算单元结构的(a)结构示意图和(b)多功能区示意图。

图6是实施例3的自对准结构示意图。

图中：1-发光阵列，2-计算阵列。

具体实施方式

本发明提供一种可以实现发光阵列和计算阵列自对准的光电计算阵列，以及相应的自对准方法。

如图1所示，光电计算阵列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。

发光单元发出的光作为入射计算单元光生载流子收集和读出区的光子，参与运算。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。发光阵列1由多个发光单元周期性排列组成，计算阵列2由多个计算单元周期性排列组成。

在单元组成光电计算阵列后，要实现某一发光单元发出的光精准地入射到计算单元，就必须让该发光单元和该计算单元在光学上形成对应关系，也就必须根据相应的具体光输入方法让需要在光学上相对应的发光单元和计算单元放置在相对应的位置上。例如，假如光输入方式采用的是直接投影光输入，即将发光阵列1贴附在计算阵列2上方，通过缩短两个阵列之间的距离减小光输入的串扰，则发光单元和光电计算单元对应的条件即为：发光单元处于计算单元正上方，然而因为计算单元和发光单元的尺寸多为微米级别，因此发光阵列1和计算阵列2如果在位置上出现了几十个微米的偏差，就会导致多个计算单元没有对应的发光单元用于光输入，甚至导致整个发光阵列1和计算阵列2的光输入数据错位。

为了能够在任意状态下知道计算单元的正上方与之光学上一一对应的发光单元分别是哪一些，本发明在光电计算阵列周围设置了一圈或多圈的对准单元，用于阵列之间的自对准，如图3所示。对准单元采用与计算单元相同的结构，对准单元可以与计算单元紧邻也可以相互间隔一定的距离排列。

在进行自对准时，发光阵列1在每一时刻只驱动某一行和某一列的发光单元发光，同时计算阵列驱动用于自对准的光电计算单元进入光输入阶段，并给予恒定电输入量且实时输出计算结果，当与用于自对准的计算单元在光学上相对应的发光单元发光时，即可导致对准计算单元输出的结果发生改变，从而知晓发光阵列1和计算阵列2的对准关系，完成自对准。

对准工作时，要求周边的对准单元的光输入数据复位-接收-运算-输出这一循环所用的时长和发光阵列1此时刻发光的行或列发光的时长相当，如果需要更快的自对准速度，就要使计算单元走完一个从复位到输出的循环时间更短，因此计算单元完成一个循环的时长就局限了对准的速度。为了获得更快的对准速度，可以采用实施例1和实施例2的两种具体计算单元的实现结果，这两种计算单元因为具有更高的光子-光生载流子转化效率(10％或更高)和极高的复位速度(纳秒量级)，因此更加适合用于自对准。

实施例1

如图4所示，本实施例的计算单元和对准单元包括：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5所示，本实施例的计算单元的对准单元包括：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3

本实施例使用12*11的发光阵列1和3*3的计算阵列2配合周边一圈用于对准的计算单元(即对准单元)来进行计算阵列2和发光阵列1的自对准，具体结构示意图如图6所示，其中虚线表示发光单元，实线表示计算单元和对准单元。

开始自对准模式，首先，控制发光阵列1最右侧一列和最下侧一行发光，并且驱动用于自对准的20个对准单元处于实时输出状态，发现处于计算阵列2右侧的5个对准单元接收到了来自于发光单元的光子，则根据目前发光的为最右侧一列和最下侧一行可知，计算阵列2在横向和发光阵列2的从右数第三、四、五列发光单元相对应。除了右侧5个对准单元接收到了光子外，其他15个单元均未接收到，继续开始下一步对准。

控制发光阵列1右侧第二列和下侧倒数第二行发光，此时发现于计算阵列2下侧的5个对准单元接收到了来自于发光单元的光子，则根据目前发光的为下侧倒数第二行可知，计算阵列2在纵向和发光阵列1的从下数第四、五、六行发光单元相对应。因此可知，该计算阵列2和发光阵列1中的从右数第三、四、五列和从下数第四、五、六行发光单元相对应，从而完成自对准。

Claims (4)

1.一种光电计算阵列，其特征在于，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，计算阵列的周围设置有一圈或多圈对准单元，对准单元与计算单元的结构相同；所述发光单元的数量大于计算单元与对准单元的数量之和；发光单元发出的光入射到与其光学位置对应的计算单元和对准单元；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。

2.根据权利要求1所述的一种光电计算阵列，其特征在于，所述计算单元包括P型半导体衬底，P型半导体衬底内的一侧为收集区，另一侧为读出区，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，所述浅槽隔离位于收集区和读出区之间；所述P型半导体衬底上方依次设有底层介质层、电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极。

3.根据权利要求1所述的一种光电计算阵列，其特征在于，所述计算单元包括作为载流子控制区的复位管、作为耦合区的光电子耦合引线，以及作为光生载流子收集区和读出区的光电二极管和读出管，光电二极管的N区通过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，复位管的漏端和读出管的漏端分别输入正电压。

4.如权利要求1所述一种光电计算阵列的自对准方法，其特征在于，具体步骤如下：控制发光阵列在每一时刻只有某一行和某一列的发光单元发光，同时对准单元进入光输入状态并输入恒定的电输入量且实时输出计算结果，当与对准单元在光学位置上相对应的发光单元发光时，即可导致对准单元输出的计算结果发生改变，根据对准单元与计算阵列之间的相对距离从而获得发光阵列和计算阵列的对准关系，完成自对准。

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