[发明专利]基于SiOxNy的光读取神经突触器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于SiO_xN_y的光读取神经突触器件及其制备方法，包括表面等离子波导和忆阻器；表面等离子波导具有从上至下依次设置的第二金属层/SiN_x介质层/第一金属层的垂直三层结构；忆阻器具有从上至下依次设置的上电极/第二阻变层/第一阻变层/下电极的垂直四层结构，所述忆阻器嵌入在表面等离子波导之中，所述第二阻变层和第一阻变层作为光信号传播通道，与表面等离子波导的SiN_x介质层水平相连。本发明能实现神经突触权重的光读取，使得以光信号幅值和相位作为突触权重的光读取神经突触器件，具有以电阻作为突触权重的传统神经突触器件无法比拟的优势，而表面等离子波导能够使得光信号突破衍射极限进行传递，有利于器件尺寸进一步减小。

技术领域

本发明属于硅基光子集成器件与神经形态芯片技术领域，具体涉及一种基于SiO_xN_y（氮氧化硅）的光读取神经突触器件及其制备方法。

背景技术

具有“金属/介质层/金属”三明治结构的忆阻器，如果施加不同的偏置电压，器件的电阻值将呈现非线性变化。这种电阻的非线性变化是由不同偏压下介质层中导电通道的形成或者消失引起的。然而，这种纳米级的丝状导电通道的连接强度会随偏压的幅值和作用时间发生变化。这种特性与生物神经系统中连接不同神经元的突触的工作机制非常相似。正是忆阻器与生物系统突触的这种相似性，使其非常适合作为突触器件用于构造神经形态仿脑芯片，进而用于人工神经网络。研究证实，基于忆阻器的仿生突触是到目前为止与生物神经系统中突触最为接近的仿生器件。

忆阻器为人工神经网络提供了一种出色的突触器件，然而目前基于忆阻器的仿生突触器件都是以电信号来读取突触器件中的突触权值，可称之为“电读取”。电读取忆阻仿生突触传输带宽小，信号间的相互干扰大。相比之下，以光信号（幅值和相位）作为信息媒介对突触权重进行读取（可称之为“光读取”）具有电读取无法比拟的优势，比如，传输带宽大，优越的信号并行性等。然而，到目前为止，在已公布的如下基于忆阻效应的突触器件的相关文献全都是基于“电读取”的仿生突触：

CN 104916313 A公开一种基于忆阻器件的神经网络突触结构，包括：第一忆阻器件、第二忆阻器件、电压反相器、运算放大器以及反馈电阻。

CN105287046A公开一种全碳基神经突触仿生器件及其制造方法，全碳基神经突触仿生器件包括衬底、位于衬底之上的底电极、位于底电极之上的阻变功能层、以及位于阻变功能层之上的顶电极，其中，所述底电极和顶电极为石墨烯，所述阻变功能层为氧化石墨烯。

CN105304813A公开一种神经突触仿生器件及其制备方法，神经突触仿生器件包括衬底、位于衬底之上的底电极、位于底电极之上的阻变功能层、以及位于阻变功能层之上的顶电极；其中，所述电阻转变层包括上下两层氧化层、以及位于上下两层之间的金属纳米颗粒。

CN 104934534 A公开一种生物神经突触仿生电子器件及其制备方法，该生物神经突触仿生电子器件从上至下依次包括上电极、与上电极连接的中间绝缘层以及与中间绝缘层连接的下电极；且上电极的材料为金属钛，中间绝缘层的材料为金属氧化物。

CN 104376362B公开一种用于人工神经网络的突触器件，所述人工神经网络包括多个神经元，所述多个神经元之间通过突触器件阵列相互连接，所述突触器件阵列包括多个突触器件，所述突触器件包括：两个、三个或更多个并联连接的突触单元。

本发明拟提供一种基于“光读取”的仿生突触器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于SiO_xN_y（氮氧化硅）的光读取神经突触器件及其制备方法；其是一种基于忆阻效应的新型光读取神经突触器件，其以光作为信号媒介，用光强和相位代表突触权值，可突破传统神经突触器件信号处理的带宽限制，具有优良并行信号处理能力。