本發(fā)明屬于生命科學(xué)與半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，涉及一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件及其制備技術(shù)。

背景技術(shù)：

2000年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主geraldm.edelman說，腦科學(xué)的知識(shí)將奠定即將到來新時(shí)代之基礎(chǔ)。當(dāng)前，人腦科學(xué)研究越來越受到全世界的重視，各國(guó)政府都提出自己的“腦計(jì)劃”：2013年歐盟啟動(dòng)了“人類大腦計(jì)劃(thehumanbrainproject)”，重點(diǎn)研究醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)；同年，美國(guó)開啟了“大腦基金計(jì)劃(braininitiative)”，開發(fā)探索大腦來獲得腦科學(xué)新發(fā)現(xiàn)；在我國(guó)，中科院于2014年提出了“中國(guó)大腦計(jì)劃”，基于以探索腦奧秘、攻克腦疾病為主的腦科學(xué)研究和以研發(fā)人工智能技術(shù)為主的類腦研究。

隨著各國(guó)“腦計(jì)劃”的推進(jìn)，全球涌現(xiàn)出大量的類腦器件，其技術(shù)路線主要分為兩種：一是基于傳統(tǒng)的cmos技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是工藝技術(shù)成熟，短時(shí)間內(nèi)可以獲得應(yīng)用；二是憶阻器模擬神經(jīng)突觸，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)權(quán)重連續(xù)改變和斷電記憶保持。這兩種人工突觸技術(shù)都是采用電信號(hào)傳遞刺激，與人腦相比功耗大，運(yùn)算速度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能局限，不能很好的適應(yīng)快速發(fā)展的市場(chǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種首次實(shí)現(xiàn)了以光子取代電子或者質(zhì)子作為信息載體來模擬神經(jīng)遞質(zhì)的傳輸，成功模擬出人腦的空間累積和時(shí)空累積及識(shí)別效應(yīng)的記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，同時(shí)提供了一種該器件的制備方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，以si襯底gan基晶圓為載體，包括硅襯底層、設(shè)置在所述硅襯底層上的外延緩沖層、設(shè)置在所述外延緩沖層上的n-gan層，設(shè)置在所述n-gan層上的發(fā)射極和集電極，在所述n-gan層上表面有刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括下臺(tái)面和位于所述下臺(tái)面上的多個(gè)上臺(tái)面，所述下臺(tái)面上有向下刻蝕出的凹槽，并凸顯形成波導(dǎo)，所述的發(fā)射極和集電極結(jié)構(gòu)相同，均包括一個(gè)上臺(tái)面和從下至上依次連接設(shè)置在上臺(tái)面上的n-gan層、ingan/gan量子阱、p-gan層和p-電極，所述發(fā)射極分別通過波導(dǎo)與集電極連接，所述下臺(tái)面上設(shè)置有n-電極，所述n-電極構(gòu)成基極，所述發(fā)射極、集電極和基極構(gòu)成光致突觸晶體管；在所述n-gan層下方設(shè)置有與波導(dǎo)、p-電極與波導(dǎo)連接一端、n-電極與波導(dǎo)連接一端的位置正對(duì)且貫穿硅襯底層、外延緩沖層到n-gan層的空腔，使所述光致突觸晶體管和波導(dǎo)懸空。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述光致突觸晶體管和波導(dǎo)均在si襯底gan基晶圓的氮化物層上實(shí)現(xiàn)，其中波導(dǎo)只在n-gan層上，且與周邊懸空薄膜完全隔離，形成發(fā)射極和集電極之間只通過波導(dǎo)相連的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述發(fā)射極、集電極、基極和波導(dǎo)均為多個(gè)，通過波導(dǎo)可連接更多的光致突觸晶體管，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的神經(jīng)元模擬。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述發(fā)射極和波導(dǎo)均為兩個(gè)，所述集電極和基極均為一個(gè)。

本發(fā)明的制備上述一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件的方法，包括以下步驟：

步驟(1)清洗si襯底gan基晶圓，用氮?dú)獯蹈珊髮?duì)其背后硅襯底層進(jìn)行減薄拋光處理；

步驟(2)使用光刻涂膠機(jī)在si襯底gan基晶圓上表面均勻地旋涂一層光刻膠i然后烘干，再將上臺(tái)面區(qū)域的圖形轉(zhuǎn)移到涂好的光刻膠i上，之后去除臺(tái)階區(qū)域外的光刻膠i；

步驟(3)沿著被去除光刻膠的地方向下刻蝕si襯底gan基晶圓，直至刻蝕到n-gan層中，去除殘留在臺(tái)階區(qū)域上的光刻膠i，得到上臺(tái)階結(jié)構(gòu)；

步驟(4)在si襯底gan基晶圓上表面均勻涂上一層光刻膠i，將p-電極圖形區(qū)域和n-電極圖形區(qū)域轉(zhuǎn)移到已涂好的光刻膠上，通過反轉(zhuǎn)工藝，去除p-電極圖形區(qū)域和n-電極圖形區(qū)域內(nèi)的光刻膠i；

步驟(5)在所述p-電極圖形區(qū)域和n-電極圖形區(qū)域分別蒸鍍ni/au，采用剝離工藝和溫度控制在500±5℃的氮?dú)馔嘶鸺夹g(shù)，形成歐姆接觸，去除殘留光刻膠后得到p-電極與n-電極；

步驟(6)在si襯底gan基晶圓上表面均勻涂上一層光刻膠i，將凹槽區(qū)域圖形轉(zhuǎn)移到涂好的光刻膠i上，再去除凹槽區(qū)域內(nèi)的光刻膠i；

步驟(7)沿著被去除光刻膠i的地方向下刻蝕si襯底gan基晶圓，形成凹槽，去除殘留光刻膠i后得到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

步驟(8)分別在si襯底gan基晶圓頂層涂光刻膠i和背后涂光刻膠ii保護(hù)，，然后烘干，之后定義出一個(gè)對(duì)準(zhǔn)并覆蓋波導(dǎo)、p-電極與波導(dǎo)連接的一端、n-電極與波導(dǎo)連接的一端的背后刻蝕窗口；

步驟(9)沿著背后刻蝕窗口，利用背后深硅刻蝕技術(shù)將硅襯底層貫穿刻蝕至外延緩沖層的下表面，形成一個(gè)空腔；

步驟(10)再沿著背后刻蝕窗口從下往上對(duì)si襯底gan基晶圓的外延緩沖層和n-gan層進(jìn)行氮化物減薄刻蝕處理，直至把凹槽刻穿，完成背后減薄處理；

步驟(11)去除殘留光刻膠ii，即得到一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述步驟(3)、步驟(7)和步驟(10)中刻蝕si襯底gan基晶圓，所用刻蝕氣體均為cl2和bcl3混合離子氣體，流速分別為10sccm和25sccm。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述步驟(9)中的背后深硅刻蝕過程中先進(jìn)行快速刻蝕，之后改為慢速刻蝕，避免快速刻蝕時(shí)強(qiáng)沖擊力造成的si襯底gan基晶圓損傷。

本發(fā)明通過正反刻蝕，先從上而下刻出波導(dǎo)使波導(dǎo)兩邊形成凹槽，再從下而上先后采用背后深硅刻蝕和氮化物減薄直至把凹槽刻穿，形成波導(dǎo)懸空并與周邊薄膜完全隔開的結(jié)構(gòu)，使發(fā)射極只通過波導(dǎo)與集電極相連的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，利用兩個(gè)單脈沖分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)發(fā)射極，產(chǎn)生兩個(gè)單刺激傳入波導(dǎo)，被集電極感知，實(shí)現(xiàn)空間疊加效應(yīng)，若兩個(gè)單脈沖相同，則出現(xiàn)簡(jiǎn)單的疊加，增強(qiáng)記憶效果；若兩個(gè)脈沖不同，除了疊加之后還可根據(jù)斷層來識(shí)別脈沖，如圖4(a)、4(b)。同理，圖4(c)、4(d)中，利用連續(xù)脈沖替代單脈沖時(shí)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空疊加效應(yīng)，若兩個(gè)連續(xù)脈沖相同，則出現(xiàn)連續(xù)的疊加直到達(dá)到飽和，大大增強(qiáng)記憶效果；當(dāng)兩個(gè)連續(xù)脈沖不相同時(shí)，除了疊加之外，每個(gè)刺激都會(huì)有斷層現(xiàn)象，根據(jù)斷層來識(shí)別脈沖。

本發(fā)明用光致晶體管類腦芯片模擬生物突觸，首次提出并實(shí)現(xiàn)用光信號(hào)替代傳統(tǒng)的電信號(hào)完成刺激傳輸，模擬出人腦的多種記憶效應(yīng)，同時(shí)研究神經(jīng)刺激在腦中的存儲(chǔ)記憶時(shí)間，為建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及發(fā)展擬人工智能奠定了基礎(chǔ)。

本發(fā)明中，發(fā)射極作為神經(jīng)刺激的產(chǎn)生源以及所述集電極作為刺激的感知端均可類比于神經(jīng)元的細(xì)胞體，所述懸空波導(dǎo)比作神經(jīng)突觸，將單對(duì)發(fā)射極/集電極和懸空波導(dǎo)的集成可形成具有收發(fā)光信號(hào)刺激能力的單個(gè)記憶神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，而該類腦器件是由兩個(gè)共用刺激感知端的神經(jīng)元組成的。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提出的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，相較于其他類腦器件，首次實(shí)現(xiàn)了以光子取代電子或質(zhì)子作為信息載體來模擬神經(jīng)遞質(zhì)的傳輸。

本發(fā)明提出的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，相較于其他類腦器件，實(shí)現(xiàn)了空間累積和時(shí)空混合累積及識(shí)別效應(yīng)的模擬，顯示出了單個(gè)或連續(xù)的刺激下多維記憶效應(yīng)的疊加、斷層現(xiàn)象。

本發(fā)明提出的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，相較于其他光致晶體管集成，懸空波導(dǎo)作為一個(gè)橋梁將光致晶體管的發(fā)射極與集電極相連，且波導(dǎo)兩邊與懸空薄膜完全隔開，即發(fā)射極的光是通過波導(dǎo)耦合進(jìn)集電極的，不受懸空薄膜的影響。

本發(fā)明提出的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，其懸空波導(dǎo)的制備是通過正反刻蝕而得到，使得懸空波導(dǎo)的厚度可控從而獲得超薄懸空波導(dǎo)，制備工藝巧妙又精簡(jiǎn)，充分限制光于波導(dǎo)內(nèi)，并降低光在波導(dǎo)內(nèi)的損耗。

本發(fā)明提出的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，通過懸空波導(dǎo)集成了兩個(gè)發(fā)射極，按照此思路，可利用波導(dǎo)集成多個(gè)發(fā)射極，大大降低集成難度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件前視示意圖。

圖2是本發(fā)明一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件俯視示意圖。

圖3是本發(fā)明一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件的制備流程圖。

圖中有：1－硅襯底層；2－外延緩沖層；3－n-gan層；4－ingan/gan量子阱；5－p-gan層；6－p-電極；7－n-電極；8－波導(dǎo)；9－上臺(tái)面；10－凹槽。

圖4是本發(fā)明一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件的測(cè)試結(jié)果圖，其中圖4(a)為相同單脈沖刺激下的空間疊加，圖4(b)為不同脈寬的單脈沖刺激下的空間疊加與斷層識(shí)別，圖4(c)為相同連續(xù)脈沖刺激下的時(shí)空混合疊加，圖4(d)為不同脈寬的連續(xù)脈沖刺激下的時(shí)空混合疊加與斷層識(shí)別。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1、圖2給出了本發(fā)明的硅襯底懸空led光波導(dǎo)集成光子器件的結(jié)構(gòu)示意圖，該器件以si襯底gan基晶圓為載體，包括硅襯底層1、設(shè)置在所述硅襯底層1上的外延緩沖層2、設(shè)置在所述外延緩沖層2上的n-gan層3，設(shè)置在所述n-gan層3上的發(fā)射極和集電極，在所述n-gan層3上表面有刻蝕出的階梯狀臺(tái)面，所述階梯狀臺(tái)面包括下臺(tái)面和位于所述下臺(tái)面上的多個(gè)上臺(tái)面9，所述下臺(tái)面上有向下刻蝕出的凹槽，并凸顯形成波導(dǎo)8，所述的發(fā)射極和集電極結(jié)構(gòu)相同，均包括一個(gè)上臺(tái)面9和從下至上依次連接設(shè)置在上臺(tái)面上的n-gan層3、ingan/gan量子阱4、p-gan層5和p-電極6，所述發(fā)射極分別通過波導(dǎo)8與集電極連接，所述下臺(tái)面上設(shè)置有n-電極7，所述n-電極7構(gòu)成基極，所述發(fā)射極、集電極和基極構(gòu)成光致突觸晶體管；

在所述n-gan層3下方設(shè)置有與波導(dǎo)8、p-電極6與波導(dǎo)8連接一端、n-電極7與波導(dǎo)8連接一端的位置正對(duì)且貫穿硅襯底層1、外延緩沖層2到n-gan層3的空腔，使所述光致突觸晶體管和波導(dǎo)8懸空。

本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述光致突觸晶體管和波導(dǎo)8均在si襯底gan基晶圓的氮化物層上實(shí)現(xiàn)，其中波導(dǎo)8只在n-gan層3上，且與周邊懸空薄膜完全隔離，形成發(fā)射極和集電極之間只通過波導(dǎo)8相連的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述發(fā)射極、集電極、基極和波導(dǎo)8均為多個(gè)，通過波導(dǎo)8可連接更多的光致突觸晶體管，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的神經(jīng)元模擬。

本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述發(fā)射極和波導(dǎo)8均為兩個(gè)，所述集電極和基極均為一個(gè)。本發(fā)明的制備一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件的方法，具體步驟如下：

1)清洗si襯底gan基晶圓，用氮?dú)獯蹈珊髮?duì)其背后硅襯底層1進(jìn)行減薄拋光處理；

2)使用光刻涂膠機(jī)在si襯底gan基晶圓上表面均勻地旋涂一層光刻膠i然后烘干，再將上臺(tái)面9區(qū)域的圖形轉(zhuǎn)移到涂好的光刻膠i上，之后去除臺(tái)階區(qū)域外的光刻膠i；

3)沿著被去除光刻膠的地方向下刻蝕si襯底gan基晶圓，直至刻蝕到n-gan層3中，去除殘留在臺(tái)階區(qū)域上的光刻膠i，得到上臺(tái)面9結(jié)構(gòu)；

4)在si襯底gan基晶圓上表面均勻涂上一層光刻膠i，將p-電極6圖形區(qū)域和n-電極7圖形區(qū)域轉(zhuǎn)移到已涂好的光刻膠上，通過反轉(zhuǎn)工藝，去除p-電極6圖形區(qū)域和n-電極7圖形區(qū)域內(nèi)的光刻膠i；

5)在所述p-電極6圖形區(qū)域和n-電極7圖形區(qū)域分別蒸鍍ni/au，采用剝離工藝和溫度控制在500±5℃的氮?dú)馔嘶鸺夹g(shù)，形成歐姆接觸，去除殘留光刻膠后得到p-電極6與n-電極7；

6)在si襯底gan基晶圓上表面均勻涂上一層光刻膠i，將凹槽10區(qū)域圖形轉(zhuǎn)移到涂好的光刻膠i上，再去除凹槽10區(qū)域內(nèi)的光刻膠i；

7)沿著被去除光刻膠i的地方向下刻蝕si襯底gan基晶圓，形成凹槽10，去除殘留光刻膠i后得到波導(dǎo)8結(jié)構(gòu)；

8)分別在si襯底gan基晶圓頂層涂光刻膠i和背后涂光刻膠ii保護(hù)，，然后烘干。之后定義出一個(gè)對(duì)準(zhǔn)并覆蓋波導(dǎo)8、p-電極6與波導(dǎo)8連接的一端、n-電極7與波導(dǎo)8連接的一端的背后刻蝕窗口；

9)沿著背后刻蝕窗口，利用背后深硅刻蝕技術(shù)將硅襯底層1貫穿刻蝕至外延緩沖層2的下表面，形成一個(gè)空腔；

10)再沿著背后刻蝕窗口從下往上對(duì)si襯底gan基晶圓的外延緩沖層2和n-gan層3進(jìn)行氮化物減薄刻蝕處理，直至把凹槽10刻穿，完成背后減薄處理；

11)去除殘留光刻膠ii，即得到一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件；

本發(fā)明的一種記憶增強(qiáng)及認(rèn)知識(shí)別神經(jīng)元的類腦器件，所述快速刻蝕與慢速刻蝕的時(shí)間可根據(jù)具體情況而定，一般的，快速刻蝕為37min或38min，慢速刻蝕為10min。

上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。