一种与半导体Si集成的人工神经元及其应用制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种与半导体Si集成的人工神经元及其应用
本专利技术涉及光电信息转换
，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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，高信号输出对比度。为了实现上述技术目的，本专利技术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；顶电极对光有较好的吸收；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(响应时间在10-4s量级)，从低电导转变为高电导(正光电导)或从低电导转变为更低的电导(负光电导)；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负光电导(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正光电导(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负光电导(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正光电导(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，发生光电导转换的电压阈值越高。综上所述，本专利技术的Si集成人工神经元具有如下有益效果：1、本专利技术的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：(1)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。(2)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。(3)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。(4)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。即，本专利技术的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。2、利用正负光电导转变效应，本专利技术的Si集成人工神经元可应用于光信息提取(或过滤)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(或过滤)器用途不限，例如可用于监控摄像，对背景信息进行过滤的过程中等。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是本专利技术实施例1的Si集成人工神经元的结构示意图；图2(a)是本专利技术实施例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)是本专利技术实施例1的Si集成人工神经元对光照射响应时间曲线；图3是本专利技术实施例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)是本专利技术实施例1的Si集成人工神经元用于光信息提取(或过滤)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专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，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衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si集成人工神经元，其特征是：包括顶电极、非晶层以及Si衬底；/n顶电极对光有较好的吸收；/n非晶层为具有足够多本征缺陷的半导体材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种Si集成人工神经元，其特征是：包括顶电极、非晶层以及Si衬底；
顶电极对光有较好的吸收；
非晶层为具有足够多本征缺陷的半导体材料。


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(响应时间在10-4s量级)，从低电导转变为高电导(正光电导)或从低电导转变为更低的电导(负光电导)；
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集成人工神经元对光照产生负光电导(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正光电导(电导增大)。


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集成人工神经元对光照产生负光电导(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正光电导(电导增大)。


5.如权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗炳成，刘正源，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61