[发明专利]一种基于Bi2

说明书

本发明公开了一种基于Bi₂O₂Se的多模态感存算一体系统及其实现方法。本发明将多个Bi₂O₂Se场效应晶体管集成在一起，基于器件的多模态传感特性、多模态突触可塑性和非线性抑制神经元特性，分别作为传感器、突触器件和神经元器件使用，由此构建多模态感存算一体系统，从而实现同种材料相同器件结构的传感模块、存储模块以及计算模块的片上一体化集成。

技术领域

本发明涉及一种基于新型半导体Bi₂O₂Se多模态感存算一体系统(Multimodal insensor memory computing based on Bi₂O₂Se)及其实现方法，属于新材料及新型计算技术领域。

背景技术

生物体中存在很多多模态感存算一体的系统，例如皮肤系统、视觉系统、听觉系统以及运动系统等，它们同时感受到的外界的多种信息和刺激可以直接形成记忆，并产生判断和决策，模拟生物系统的多模态感存算一体对于实时、高效并行的处理多种信息具有重要意义。而且，随着大数据时代的到来，对传统的冯诺依曼计算架构带来了诸多挑战，例如传感单元、存储单元、计算单元之间大量信号转换电路的硬件开销，数据传输导致的延迟和功耗也日益增加。另外，传感单元、存储单元、计算单元之间由于材料体系与制备工艺的不同导致很难将它们实现片上集成，目前的解决方案是将不同功能模块串联在一起实现感存算功能，但是这仍然没有改变不同功能单元之间由于材料体系及器件结构的不同导致的集成瓶颈问题。

发明内容

为了解决不同功能单元之间的集成瓶颈问题，本发明提出一种基于新型半导体材料Bi₂O₂Se实现多模态感存算一体的方法。

本发明提出基于Bi₂O₂Se半导体材料实现多模态感存算一体，基于Bi₂O₂Se半导体制备的场效应晶体管，能够实现多模态传感特性、多模态突触可塑性以及非线性抑制神经元特性。可以实现同种材料相同器件结构的传感模块、存储模块以及计算模块的片上一体化集成。

具体的，本发明提供的感存算一体化系统实现方案，是基于新型层状半导体Bi₂O₂Se，使用CMOS兼容的工艺制备场效应晶体管，Bi₂O₂Se由于其独特的晶格结构，BiO层与Se层交替排列，BiO层为电子传输层，Se层为缺陷复合层，可以在具有高的电子迁移率的同时能够实现长的非平衡载流子寿命。高的电子迁移率能实现多模态传感特性，多重缺陷复合机制能够实现突触可塑性以及抑制神经元特性。

新型层状半导体Bi₂O₂Se的电子有效质量为0.12m₀，禁带宽度为～0.8eV，具有很高的电子迁移率，并且化学性质稳定，以Bi₂O₃和Bi₂Se₃作为生长源，通过CVD的方法可以云母衬底上生长Bi₂O₂Se，为了便于后面器件的制备，我们将Bi₂O₂Se从云母衬底转移到硅/高k(Si/high-k)衬底(如Si/HfO₂衬底)上进行器件制备，以Bi₂O₂Se作为有效层沟道，采用电子束曝光(EBL)进行图形化，电子束蒸发沉积金属，剥离形成MOSFET结构。