本发明专利技术公开了一种基于Bi2O2Se的多模态布尔逻辑实现方法及其应用。本发明专利技术将Bi2O2Se纳米片转移到硅/高k衬底上作为沟道，通过CMOS兼容的工艺制备背栅场效应晶体管，该器件作为多模态光热传感器可以同时对光信号和热信号产生响应，通过光照和降温实现“AND”和“OR”逻辑操作，通过光照和升温实现“XOR”逻辑操作。利用该器件组成电路，通过以上布尔逻辑可实现对热点图的边缘检测，从而可以对具有光热特征的热点图进行预处理分类。点图进行预处理分类。点图进行预处理分类。
【技术实现步骤摘要】
基于Bi2O2Se的多模态布尔逻辑实现方法及其应用
[0001]本专利技术涉及一种基于新型半导体Bi2O2Se的多模态布尔逻辑实现方法，及其在边缘检测中的应用(multimodal Boolean logical function for edge detection based on new semiconductor Bi2O2Se)，属于新型材料和边缘检测领域。
技术介绍
[0002]随着智能物联网的不断发展，对于传感器件的需求也不断增加，要求传感器具有高性能、多功能、低功耗的特点，并且制备工艺与主流CMOS工艺相兼容。大量的的传感器会产生大量的非结构化数据，对计算单元和存储单元带来挑战，在传统的冯诺依曼架构中，传感单元和计算单元之间需要大量的ADC及DAC，增加了硬件开销，延迟和功耗。在目前的大数据时代，希望在传感单元进行简单的模拟计算，来对传感信息直接预处理，例如，提高信噪比、特征提取等，边缘检测是图像识别中的一种信息预处理方式。传感器件得到的信息类型是多种多样的，其中光信息和热信息最为普遍，为了对传感数据进行高效的预处理，需要发展能够实现多模态传感计算的新材料和新器件。
技术实现思路
[0003]为了应对传感计算中信息预处理的硬件需求，本专利技术提出一种基于Bi2O2Se半导体多模态光热传感器件实现线性布尔逻辑“AND”和“OR”以及非线性布尔逻辑“XOR”的方法，以及用于边缘检测的方法。
[0004]本专利技术提出的多模态光热传感器基于新型层状二维材料Bi2O2Se，该材料属于四方晶系，如图1所示，BiO层与Se层交替排列，其中BiO层原子之间是通过强的共价键连接的，BiO层与Se层之间是通过弱的静电相互作用连接的，BiO层带正电，Se层带负电。Bi2O2Se可以通过CVD的方法，使用Bi2O3和Bi2Se3作为生长源在云母衬底上生长。Bi2O2Se属于n型半导体材料，由于生长过程中的自掺杂效应，Se空位产生的电子注入到BiO层中传输，Se空位与电子输运在空间上的分离使得Bi2O2Se具有较低的载流子层间散射，并且Bi2O2Se的有效质量较小，只有0.12m0，因此Bi2O2Se具有超高的电子迁移率。除此之外，Bi2O2Se具有相对较窄的带隙(～0.8eV)，环境稳定性好。
[0005]本专利技术将Bi2O2Se从云母衬底转移到硅/高k(Si/high
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k)衬底上，通过CMOS兼容的工艺制备背栅MOSFET结构，对于单个器件通过光和降温实现了“AND”和“OR”操作，通过光和升温实现了“XOR”操作，并且通过以上布尔逻辑实现了边缘检测。
[0006]具体的，在本专利技术的第一方面，提供了一种基于Bi2O2Se的多模态光热传感器，包括衬底和位于衬底上的沟道，沟道两端分别为源极和漏极，其中，所述衬底为硅/高k(Si/high
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k)衬底，所述沟道为Bi2O2Se纳米片，构成背栅场效应晶体管。
[0007]上述基于Bi2O2Se的多模态光热传感器中，所述硅/高k衬底是由硅衬底及其上的高k介质层组成的复合衬底，通常通过在硅衬底上生长具有高k值的介质层获得，例如硅/氧化铝复合衬底或者硅/氧化铪复合衬底。
[0008]上述基于Bi2O2Se的多模态光热传感器中，所述Bi2O2Se纳米片的厚度范围为10nm
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20nm。
[0009]上述基于Bi2O2Se的多模态光热传感器中，所述源极和漏极优选为金属电极，例如Ti/Pd/Au电极(Ti起粘附作用)、Pd/Au电极或者Au电极等。
[0010]在本专利技术的第二方面，提供了上述基于Bi2O2Se的多模态光热传感器的一种制备方法，包括以下步骤：
[0011]1)将Bi2O2Se纳米片从其生长衬底转移到硅/高k衬底上；
[0012]2)进行电子束曝光(EBL)定义源漏区域；
[0013]3)在源漏区域淀积金属并剥离形成源极和漏极。
[0014]上述步骤1)中，所述Bi2O2Se纳米片通常生长在云母衬底上，优选采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或PDMS(聚二甲基硅氧烷)辅助转移的方法将Bi2O2Se纳米片从云母衬底转移到硅/高k衬底上。
[0015]上述步骤3)中，优选采用电子束蒸发的方式淀积金属，剥离后形成源漏电极。
[0016]Bi2O2Se背栅场效应晶体管器件作为多模态光热传感器，可以同时对光信号和热信号产生响应，并且器件对光信号和降温信号呈现出电流增强效应，对加热信号呈现出电流抑制效应。在本专利技术的第三方面，利用上述基于Bi2O2Se的多模态光热传感器，通过将光信号和降温信号作为两个输入、沟道电流作为输出，得到线性逻辑“AND”和“OR”的输出特性；将光信号和加热信号作为两个输入、沟道电流作为输出，得到非线性逻辑“XOR”的输出特性。具体包括：
[0017]a)实现“AND”逻辑：定义对Bi2O2Se沟道施加光照为输入“1”，不加光照为输入“0”；定义使Bi2O2Se沟道降温为输入“1”，不降温为输入“0”；固定漏端电压，将沟道电流作为逻辑输出变量；设置一个电流阈值，在一定时间内，对Bi2O2Se沟道施加光照和/或降温操作，判断输出电流：大于阈值为“1”，小于阈值为“0”；设置一定的光功率密度和降温幅度，使得：当施加光照且降温时，即输入为“1”、“1”，输出为“1”；当施加光照但不降温时，即输入为“1”、“0”，输出为“0”；当不施加光照但降温时，即输入为“0”、“1”，输出为“0”；当既不施加光照又不降温时，即输入为“0”、“0”，输出为“0”，从而实现“AND”逻辑功能。
[0018]b)实现“OR”逻辑：定义对Bi2O2Se沟道施加光照为输入“1”，不加光照为输入“0”；定义使Bi2O2Se沟道降温为输入“1”，不降温为输入“0”；固定漏端电压，将沟道电流作为逻辑输出变量；设置一个电流阈值，在一定时间内，对Bi2O2Se沟道施加光照和/或降温操作，判断输出电流：大于阈值为“1”，小于阈值为“0”；设置一定的光功率密度和降温幅度，使得：当施加光照且降温时，即输入为“1”、“1”，输出为“1”；当施加光照但不降温时，即输入为“1”、“0”，输出为“1”；当不施加光照但降温时，即输入为“0”、“1”，输出为“1”；当既不施加光照又不降温时，即输入为“0”、“0”，输出为“0”，从而实现“OR”逻辑功能。
[0019]c)实现“XOR”逻辑：定义对Bi2O2Se沟道施加光照为输入“1”，不加光照为输入“0”；定义使Bi2O2Se沟道升温为输入“1”，不升温为输入“0”；固定漏端电压，将沟道电流作为逻辑输出变量；设置两个电流阈值I1和I2，I1>I2，在一定时间内，对Bi2O2Se沟道施加光照和/或升温操作，判断输出电流I：当I>I1或I<I2时输出为“1”，当I2<I<I1时输出为“0”；设置一定的光功率密度和升温幅度，使得：当施加光照且升温时，即输入为“1”本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多模态光热传感器，包括衬底和位于衬底上的沟道，以及沟道两端的源极和漏极，其特征在于，所述衬底为硅/高k衬底，所述沟道为Bi2O2Se纳米片。2.如权利要求1所说的多模态光热传感器，其特征在于，所述硅/高k衬底是由硅衬底及其上的高k介质层组成的复合衬底；所述Bi2O2Se纳米片的厚度为10～20nm。3.权利要求1或2所述多模态光热传感器的制备方法，包括以下步骤：1)将Bi2O2Se纳米片从其生长衬底转移到硅/高k衬底上；2)进行电子束曝光定义源漏区域；3)在源漏区域淀积金属并剥离形成源极和漏极。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述Bi2O2Se纳米片生长在云母衬底上，采用PMMA或PDMS辅助转移的方法将Bi2O2Se纳米片从云母衬底转移到硅/高k衬底上。5.一种基于权利要求1或2所述的多模态光热传感器实现布尔逻辑的方法，所述多模态光热传感器的Bi2O2Se沟道对光信号和降温信号呈现出电流增强效应，对加热信号呈现出电流抑制效应，将光信号和降温信号作为两个输入、沟道电流作为输出实现线性逻辑“AND”和“OR”，将光信号和加热信号作为两个输入、沟道电流作为输出实现非线性逻辑“XOR”。6.如权利要求5所述的实现布尔逻辑的方法，其特征在于，定义对Bi2O2Se沟道施加光照为输入“1”，不加光照为输入“0”；定义使Bi2O2Se沟道降温为输入“1”，不降温为输入“0”；固定漏端电压，将沟道电流作为逻辑输出变量；设置一个电流阈值，在一定时间内，对Bi2O2Se沟道施加光照和/或降温操作，判断输出电流：大于阈值为“1”，小于阈值为“0”；设置一定的光功率密度和降温幅度，使得：当施加光照且降温时，即输入为“1”、“1”，输出为“1”；当施加光照但不降温时，即输入为“1”、“0”，输出为“0”；当不施加光照但降温时，即输入为“0”、“1”，输出为“0”；当既不施加光照又不降温时，即输入为“0”、“0”，输出为“0”，从而实现“AND”逻辑功能。7.如权利要求5所述的实现布尔逻辑的方法，其特征在于，定义对Bi2O2Se沟道施加光照为输入“1”，不加光照为输入“0”；定义使Bi2O2Se沟道降温为输入“1”，不降温为输入“0”；固定漏端电压，将沟道电流作为逻辑输出变量；设置一个电流阈值，在一定时间内，对Bi2O2Se沟道施加光照和/或降温操作，判断输出电流：大于阈值为“1”，小于阈...
【专利技术属性】
技术研发人员：黎明，蔡其峰，刘鋆灵，谭聪伟，彭海琳，贺明，张兴，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：
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