CN112885907B - 一种与半导体Si集成的人工神经元及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电信息转换技术领域，特别是涉及一种即时宽谱响应的Si集成人工神经元及应用。本发明通过元件结构的设计以及材料的选择，通过调控载流子被捕获及释放的动力学过程来调制其光电导，解决当前人工神经元在收集光电信号的不足(诸如较长的响应时间以及较低的输出信号对比度等)，使其具有如宽谱响应、快速光响应及高输出信号对比度，将在光信息提取(或过滤)器、神经形态视觉系统以及人工智能等应用领域具有极大的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及光电信息转换技术领域，特别是涉及一种即时宽谱响应的半导体Si集成人工神经元及应用。
背景技术
视觉神经感知系统，作为模仿人类肉眼获取信息的识别系统，随着人工智能的迅猛发展应运而生。作为视觉神经感知系统的元件，人工神经元的性能决定了整个系统在人工智能应用中发挥的作用。当前人工神经元的光电信号转换通常是利用持久光电导特性，即通过构筑绝缘层或势垒，使得光生载流子的运动被限制，从而产生持续光电导性能。但这同时也伴随着元件具有较长的响应时间以及较低的输出信号对比度等缺点。本发明通过元件结构的设计以及材料的选择，通过调控载流子被捕获及释放的动力学过程来调制其光电导，解决当前人工神经元在收集光电信号的不足，使其具有如宽谱响应、快速光响应及高输出信号对比度，将在光信息提取(或过滤)器、神经形态视觉系统以及人工智能等应用领域具有极大的潜力。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种新型的人工神经元，其具有即时的宽谱响应，高输出信号对比度。
为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种Si集成人工神经元，包括顶电极、Si衬底以及位于顶电极与Si衬底之间的非晶层；
顶电极对目标光波段有较好的吸收；
非晶层为具有足够多本征缺陷的半导体材料；
所述Si集成人工神经元依次在无光照射、光照射、撤销光照射的条件下，电导变化如下：
无光照射时，所述Si集成人工神经元电导为初始电导，呈低电导；
当光照射到所述Si集成人工神经元时，元件电导迅速发生转变，从低电导转变为高电导或从低电导转变为更低的电导；
撤销光照射后，所述Si集成人工神经元迅速回到初始电导。
对所述Si集成人工神经元施加不同电压，该元件对相同波长相同光强的光照射产生不同的光电导，具体变化如下：
当电压较小时，所述Si集成人工神经元对光照产生电导减小；
当电压较大时，所述Si集成人工神经元对光照产生电导增大。
对所述的Si集成人工神经元照射不同强度的光，该元件在相同电压下产生不同的光电导，具体变化如下：
当光强较小时，所述Si集成人工神经元对光照产生电导减小；
当光强较大时，所述Si集成人工神经元对光照产生电导增大。
所述顶电极材料可分别选自Al、Ag、Ni、Fe、Pt、Au、Cu等金属，掺铌SrTiO3、LaxSr1- xMnO3、SrRuxLr1-xO3、铟锡氧化物、氟锡氧化物、掺杂锡酸钡、铝锌氧化物等金属氧化物，以及石墨烯、碳纳米管等中的一种或两种以上的混合。
所述顶电极形态不限，一般选择为薄膜状态，作为优选，可选择叉指电极，薄膜厚度分别为10nm到300nm之间，叉指尺寸在2mm以内。
所述的顶电极和底电极可以是柔性电极，例如Ti、Al、Cu、碳纳米管、石墨烯薄膜等柔性电极。
所述非晶层为具有较多本征缺陷的半导体材料，可选自MoxSi1-x、WSi、MoGe、TaN以及InxO1-x中的一种或两种以上的混合材料。
所述非晶层厚度优选为5nm到500nm之间。
所述Si衬底选自本征Si或轻掺杂Si的一种或两种以上的混合材料。也可以选自其他窄带隙半导体材料，例如可以选自PbSe、PbS、PbTe、InAs、InSb、GaSb以及SnTe等中的一种或两种以上的混合材料。
作为优选，当光照射所述Si集成人工神经元时，元件具有在不同电压下发生正-负光电导转换的特性，电压阈值与光波长有关，即当照射光波长不同时元件发生正-负光电导转换的电压不同，也就是说元件正-负光电导转换的电压阈值受照射光波长的调控。一般而言，照射光波长越长，发生正-负光电导转换的电压阈值越高。
综上所述，本发明的Si集成人工神经元具有如下有益效果：
本发明的Si集成人工神经元包括顶电极、非晶层与Si衬底，利用非晶层的本征缺陷，当对该元件依次进行光照射、撤销光照射、施加偏压时，元件具有如下转变效应：
由于Si衬底的带隙较窄，当光照射到该元件时，Si价带中电子受激跃迁，在电场作用下进入非晶层；非晶层中本征缺陷将会形成一个浅陷阱能级，对载流子进行捕获，从而使导带的载流子浓度发生变化，电导在很短时间内发生改变。
当光照撤销后，由于没有了载流子的注入，元件电导将会在很快时间内回复到初始状态。
当对元件在相同的光照下施加不同的电压时，注入非晶层的载流子浓度不同，因而非晶层中陷阱能级的填充状态也不同；当电压较小时，注入的载流子浓度小，陷阱能级未全部填充，因而使得导带载流子浓度降低，引起元件电导降低，即负光电导；当电压较大时，注入的载流子浓度大，陷阱能级全部填充，过剩的载流子使得导带载流子浓度上升，引起元件电导增大，即正光电导。
当对元件在特定电压下施加不同强度的光照时，注入非晶层的载流子浓度不同，因而非晶层中陷阱能级的填充状态也不同；当光强较小时，注入的载流子浓度小，陷阱能级未全部填充，因而使得导带载流子浓度降低，引起元件电导降低，即负光电导；当光强较大时，注入的载流子浓度大，陷阱能级全部填充，过剩的载流子使得导带载流子浓度上升，引起元件电导增大，即正光电导。
本发明的Si集成人工神经元一方面能够利用电压的不同调节光生载流子的注入状态，从而实现改变元件的光电导由负到正的转变；另一方面，通过改变光照强度，可以在特定电压(即电压阈值)下实现光电导由负到正的转变，优选地，通过照射光波的变化，可以对电压阈值进行调控。
利用正负光电导转变效应，本发明的Si集成人工神经元可应用于光信息提取\过滤器、神经形态视觉系统以及人工智能等诸多领域。
所述光信息提取\过滤器用途不限，例如可用于监控摄像，对背景信息进行过滤等。
所述神经形态视觉系统用途不限，例如可用于仿生人眼识别和对图像信息的提取处理。
所述人工智能用途不限，例如可用于医学、工业以及食品加工等。
附图说明
图1是本发明实施例1的Si集成人工神经元的结构示意图；
图2(a)是本发明实施例1的Si集成人工神经元在无光照射、光照射、撤销光照射、施加电压的条件下的电流-时间曲线；
图2(b)是本发明实施例1的Si集成人工神经元对光照射响应时间曲线；
图3是本发明实施例1的Si集成人工神经元在不同光强照射条件下的电流-时间曲线；
图4(a)是本发明实施例1的Si集成人工神经元用于光信息提取\过滤器的示意图；
图4(b)是利用图4(a)所示的阵列实现的对光信息的提取\过滤。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，Si集成人工神经元的结构如图1所示，包括Si衬底，顶电极以及非晶层。顶电极位于非晶层上，非晶层位于Si衬底上。
本实施例中，Si衬底采用本征Si；顶电极采用Au，几何形状为叉指电极，厚度优选10nm，叉指尺寸2mm；非晶层采用MoSi薄膜，厚度优选200±10nm。
本实施例中，采用镀膜的方法制备该Si集成人工神经元，包括如下步骤：
将Si衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，取出后用氮气吹干，然后放入磁控溅射仪真空腔内，在氩气气压为2Pa的气氛中，以MoSi合金为靶材，用溅射的方法沉积一层厚度约为200±10nm的MoSi薄膜，射频溅射电源功率为40W；
在长好的MoSi薄膜表面利用离子束溅射系统沉积一层叉指尺寸为2mm，长10mm宽5mm的Au顶电极。
利用Keithley 6517B电流表对该Si集成人工神经元的光电转换性质进行如下表征。利用405nm和532nm二极管激光器作为光学刺激和信号光源。
对该元件依次进行无光照射、光照射、撤销光照射、施加电压
结果如图2所示，从中可以看出：
初始时，无光照，元件为初始电导，变化量△电流为零；
在0.01V的电压下，当用波长为532nm，强度为25.2mW·cm-2的激光照射该元件时，元件电导的变化量△电流为负值，即元件电导在光照下降低，呈现为负光电导；
元件对光照的响应迅速，如图2(b)，响应时间在10-4s量级；
在1V的电压下，当用波长为532nm，强度为25.2mW·cm-2的激光照射该元件时，元件电导的变化量△电流为正值，即元件电导在光照下增大，呈现为正光电导；
撤销光照时，元件电导的变化量△电流为零，即恢复到初始电导。
上述结果表明该元件具有即时的正负光电导响应特性，即光照可改变元件电导，并且可利用不同电压改变元件光电导的符号。
该元件的上述光电转换性质的进行解释如下：
由于非晶MoSi材料的无序造成的电子波函数的局域化，从而大大的限制了元件的电导；
当光照射到该元件时，由于顶电极和非晶层的厚度较薄，入射光子有足够的穿透深度被Si衬底吸收，从而激发位于Si价带的电子跃迁进入导带，这一部分受激电子在外加电压的作用下进入非晶MoSi层。由于非晶MoSi层丰富的本征缺陷，其禁带中将存在一个靠近导带的浅陷阱能级，这个陷阱能级将会对位于导带的自由电子进行捕获。当受激电子进入非晶MoSi层时，陷阱能级对其的捕获将造成导带内载流子浓度的降低，从而引起元件电导的下降，即负光电导。由于电子的激发和捕获都直接发生在材料带隙内，不涉及二级过程，同时受激电子具有足够的能量，从而使得整个响应过程能够在很短时间内完成。
通过施加不同的电压，可以改变受激电子注入非晶层的状态。当电压较小时，受激电子的注入水平较低，非晶MoSi层的陷阱能级可以对其进行有效的捕获，使得元件呈现出负光电导；当电压增大时，受激电子的注入水平较高，非晶MoSi层的陷阱能级无法对全部受激电子进行捕获，过剩的电子将进入导带在电场作用下迁移，从而导致元件电导增大，呈现正光电导。
当撤掉光照之后，位于陷阱能级的捕获电子以及导带中的受激电子由于其自身的能量较高，处于不稳定的状态，会迅速发生复合，使得该元件的电导回复初始态。
对该元件进行不同波长、不同强度的光照射
更换光源为405nm波长激光，调节激光强度，如图3所示，为该元件在不同光强度光照射条件下的电导转变特性，从中可以看出：在激光强度较小的照射下，元件的电导变化为负，当激光强度超过某特定值后，元件的电导变化变为正。
上述结果表明光照强度可改变元件光电导的符号。
该元件的上述光电转换性质的进行解释如下：
通过改变照射激光强度，可以改变受激电子的浓度，从而改变受激电子注入非晶层的状态。当光强较小时，受激电子的注入水平较低，非晶MoSi层的陷阱能级可以对其进行有效的捕获，使得元件呈现出负光电导；当光强增大时，受激电子的注入水平较高，非晶MoSi层的陷阱能级无法对全部受激电子进行捕获，过剩的电子将进入导带在电场作用下迁移，从而导致元件电导增大，呈现正光电导。
综合上述表征可以看出，该元件是一种即时宽谱响应，具有正负光电导转换的Si集成人工神经元。
因此，该Si集成人工神经元可应用于光信息提取\过滤器、神经形态视觉系统以及人工智能等。
例如，利用不同的光强照射产生的正负光电导可实现光信息提取(或过滤)器，同时也具有响应时间短的优异特性，如图4(a)和图4(b)所示。图4(a)是本实施例1的Si集成人工神经元构成的4×4的阵列。图4(b)是本实施例1的Si集成人工神经元如图4(a)的阵列在如图3所示的光波长的照射条件下的正负光电导转变用于信息提取(过滤)的效果示意。利用光强较大部分所产生的正光电导与背景较小光强产生的负光电导，原本入射图像的单色光色差被锐化为符号相反的电信号，增大了图像信息的对比度。入射的英文字母由光强较大的部分显示，为深蓝色的‘NPU’，经过该元件处理后，输出为正光电导，为红色的‘NPU’；图像背景则由原来光强较小的浅蓝色背景，输出为蓝色的负光电导，从而实现了图像信息的提取及对背景信息的过滤。
同时由于该元件的光响应十分迅速，因此可应用于神经形态视觉系统，作为模仿人类肉眼对信息提取的媒介。
Claims (9)
1.一种Si集成人工神经元，其特征是：依次为顶电极、非晶层以及Si衬底；
顶电极采用对目标光波段有较好吸收的材料，形状不限；
非晶层为具有足够多本征缺陷的半导体材料，其中存在浅缺陷能级，选用MoxSi1-x、WSi、MoGe、TaN以及InxO1-x中的一种或两种以上的混合材料。
2.如权利要求1所述的Si集成人工神经元，其特征是：所述Si集成人工神经元依次在无光照射、光照射、撤销光照射的条件下，电导变化如下：
无光照射时，所述Si集成人工神经元电导为初始电导，呈低电导；
当光照射到所述Si集成人工神经元时，元件电导迅速发生转变，从低电导转变为高电导或从低电导转变为更低的电导；
撤销光照射后，所述Si集成人工神经元迅速回到初始电导。
3.如权利要求2所述的Si集成人工神经元，其特征是：调节电压，所述Si集成人工神经元对相同波长相同光强的光照射产生不同的光电导，具体变化如下：
当电压较小时，所述Si集成人工神经元在光照下由低电导变为更低的电导；
当电压较大时，所述Si集成人工神经元在光照下由低电导变为高电导。
4.如权利要求2所述的Si集成人工神经元，其特征是：调节照射光强度，所述Si集成人工神经元在相同电压下产生不同的光电导，具体变化如下：
当光强较小时，所述Si集成人工神经元在光照下由低电导变为更低的电导；
当光强较大时，所述Si集成人工神经元在光照下由低电导变为高电导。
5.如权利要求2所述的Si集成人工神经元，其特征是：调节照射光波长，所述Si集成人工神经元发生正负光电导转换的电压阈值发生变化，具体变化如下：
当波长增大时，相同光强照射下器件发生正负光电导转换的电压阈值增大；
当波长减小时，相同光强照射下器件发生正负光电导转换的电压阈值减小。
6.如权利要求1所述的Si集成人工神经元，其特征是：所述顶电极选自金属、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管中的一种或两种以上的混合；
所述顶电极选自Al、Ag、Ni、Fe、Pt、Au、Cu、SrTiO3、LaxSr1-xMnO3、SrRuxLr1-xO3、铟锡氧化物、氟锡氧化物、铝锌氧化物、掺杂锡酸钡、石墨烯、碳纳米管中的一种或者两种以上的混合材料。
7.如权利要求1所述的Si集成人工神经元，其特征是：所述Si衬底选自本征Si或轻掺杂Si的一种或两种以上的混合材料，或其它窄带隙半导体材料。
8.如权利要求1至7任一项所述的Si集成人工神经元用于光信息提取\过滤器，包括Si集成人工神经元。
9.如权利要求1至7任一项所述的Si集成人工神经元用于神经形态视觉系统，包括Si集成人工神经元。
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