专利名称：硅基单电子神经元量子电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米电子学中单电子器件集成电路技 术领域，尤其涉及一种硅基单电子神经元量子电路。
背景技术：
纳米电子学是纳米科技的重要领域之 一 ，是微电 子学继续向微观领域的发展和延伸。目前，超大规模
集成电路的特征尺寸已经进入到纳米尺度(< 10 0
nm范围，在CMOS器件等比例缩小的过程中，强电场
效应、执效应和量子效应的影响变得越来越突出。在
纳米尺度的半导体库仑岛中，库仑阻塞效应的发现，
使半导体曰 曰曰体管器件进入了单电子可控的时代。单电
子器件已经成为纳米电子学中最为基本的元件之-一 °
单电子器件是通过纳米尺寸的库仑岛控制单个电
子输运来进行工作的。随着纳米加工技术的发展，科
学家已经可以在纳米尺度范围内控制库仑岛的尺寸和
形状，以及隧穿结势垒的厚度和形状。目前在实验室
已经实现了硅基单电子器件在室温条件下工作。库仑 岛的空间尺寸被减小到纳米量级，导致量子限制效应 的显著增强。电子隧穿通过库仑岛时，库仑岛内的电 荷势能将排斥外界电子的进入。如果电子进入库仑岛 所需的电荷能大于环境热能，这个电子将被阻塞。器 件的栅电场通过电容耦合可以对库仑岛内的能级进行 电势调制。当库仑岛内的能级位于源漏电子库费米能 级构成的能量窗口时，电子将通过共振隧穿效应高穿 透率地通过库仑岛。这样，控制单电子的隧穿和阻塞 状态，便构成了单电子器件信息表达的基本方式。对 于单电子晶体管来说，通过库仑岛的电子动量变化被 显著地表现为具有分立能级特征的电流峰。对于单电 子记忆存储器来说，单电子进入库仑岛可以视为存储 一个电荷，流出库仑岛可以视为释放 一 个电荷。库仑 岛在这种单电子进出的过程中，电势将具有e/C(其中 C为库仑岛的整个电容)的起伏，单电子记忆存储器可 以探测出这种由于单电子输运引起的库仑岛电势起
单电子器件不同于微电子M0S器件的基本特征是
具有超高密度集成能力和量子效应，这两个基本特征 决定了单电子器件的集成方式不同于通常的微电子器 件。与任何多体系统 一 样，超高密度集成的纳米单电
子电路存在热起伏、器件性能参数起伏以及局部可靠 性起伏等。传统的CMOS电路组织方式和系统设计思想 将不适合纳米电子器件体系结构的要求。人工神经网 络、模糊系统以及遗传算法为纳米单电子电路结构提 供了有趣的研究途径。由于单电子器件具有十分精细 的结构，数据处理过程仅涉及少数粒子，参数可能发 生明显的波动，这种波动也会导致输出信号的起伏， 因此采用具有概率意义的模糊量进行信息控制是非常
必要的 一 方面，模糊量集合按照 一 定的逻辑规则以
交集(最小化)运算得到离散输出值；另 一 方面，通 过最大化运算合成各规则的结果。最后，利用重心法， 推理出确定的离散值。这种处理过程具有非常好的保 持稳定的自适应性(即鲁棒性)，更加接近人类的思维 方式。神经网络提供了基于模糊系统概念的实现系统， 它具有适应环境输入数据的特点，并可以通过调整神 经元之间的连接强度(权重)进行学习。虽然整个系 统可能比较复杂，但可以应用遗传算法进行优化，通 过系统调整以适应环境。
神经元(neuron)是构成神经网络系统的结构和 功能的基本单位。在生物学上，神经元由 一 个细胞胞 体(soma)和 一 些连接到相邻细胞的树突(dendritie) 和轴突(axon )组成。通常树突接受刺激信息，并向
胞体传送，经胞体整合后又轴突传出。一 个神经元的
轴突与另 一 个神经元的树突以突触(synapse)的方式 相互连接。神经元间的联接强度信息(即权值)存储 在突触中，用于估计输入信号。这种联接可能是受欢 迎的(去极化过程)也可能是需要抑制的(超极化过 程)，它的分布性质决定了神经网络的功能。剌激信号 会产生由细胞膜静息电位去极化的局部电位，如果达 到明确的阈电位水平，就会激活爆发的动作电位(脉 冲)输出。输出的脉冲强度不依赖于刺激的强度和变 化率。阈电位越低(越接近静息电位)，则兴奋性越高， 阈电位越高(越偏离静息电位)，则兴奋性越低。从神 经元模型可以看出在信号输入部分，突触不仅要使
联接权值自适应可调，而且要具有局部信息存储功能。 在信号输出部分，信号输出由阈值门所控制，但输出 电压几乎不依赖于输入电压，而依赖于与细胞电位相 对应的电源电压。
单电子器件依赖于电荷态进行工作，有信息局
域的特点单电子逻辑电路的一个重要任务就是实现
局部数据处理结构受生物学启发的神经元网络或许
刚好能够、)两足这个要求基于神经元的这些特点、，近
年来科学家提出了将单电子器件应用于祌经元电路的
各种方案，同时也在不断探索设计与神经元特点相适
应的新型单电子器件。1 9 9 5年Goossens等人提出 了将单电子反相器用于神经网络设计中，但是这个设 计中单电子器件由电流源驱动，数据处理过程需要很 大的功耗。1 9 9 7年Kirihara提出一种能够阻断静 态电流的单电子互补反相器作为神经元的权值电路， 由电流结点的权值电压控制输出，这种设计使绝大部 分的功耗获得了降低。2 0 0 0年Gerousis从单电子 隧穿与存储的概率出发，提出了由单电子反相器构建 的邻近单元闭环和串接两种正反馈神经网络电路，适 合于实现非线性的输入/输出变换。Amemiya研究小组 1 9 9 6年提出了单电子反相器适合用于Boltzmann 机神经元电路中，他们通过 M o n t e Carlo方法，对非 稳定环境下零输入时，模拟得出了 Sigmoid型的随机 输出结果。2 0 0 1年他们给出了具体的 Boltzmann 机概念的神经网络，即通过每个神经元的输出反馈到 其他神经元的输入来交换信号修正输出。2 0 0 4年 Amemiya研究组又提出一种由偏压的电阻和隧穿结组 成的单电子振荡器，用于单电子神经元电路。正偏压 和负偏压的单电子振荡器作为一个工作单元，通过电 阻和隧穿结间的库仑岛结点形成电容耦合，依赖单电 子脉冲(spike )极化电流传递信息，但是这种器件不 能存储和调整突触权值。如果工作单元偏压极性相同，
突触就是受抑制的；偏压极性相反，就是兴奋的。基
于这种特性，自2 0 0 4年以来，他们提出并深入研
究了有容错能力的并行输入的神经网络电路。
Lik h 3 r e v研究小组2 0 01年提出了由单电子曰 曰曰体管
和单电子陷阱相结合的方式构成闭锁开关器件作为神
经键，单电子陷阱作为浮栅，使器件的开关白动依赖
于偏压水平，传递二进制模拟信号，从而实现自由生
长神经网络和随机分布的闩锁型神经网络。2003
年他们设计出了将这种单电子闭锁幵关器件通过纳米
线平行、正父的方式构成CrossNets神经网络系统
模拟计算证明，CrossNet可!以很好地构成Hopfi eld网
络和多层前馈感知器。然而，这种单电子开关存在的 明显缺点就是联接权重的二进制特征，具有不连续效
应。上海交通大学蒋建飞研究小组2 0 0 2年研究模 拟了 一种神经网络单电子数/模转换器，即由多个输入
栅串联 一 个浮栅的单电子晶体管，具有表决非线性输 出功能。从以上可以看出，单电子神经元的研究还处 于概念性的探索起步阶段。将单电子器件应用于神经 网络领域，有着广泛的技术前景以及经济和社会意义。
单电子器件中发生电子隧穿输运和存储都具有一 定的概率，而库仑岛内量子态的分布是控制这种概率 的有效途径。因此，利用单电子器件的这 一 特性，研
究并制出-种更加接近于生神经元功能的新型单
电子益件及电路结构势在必行它不仅要求输入输
出信息以概率形式发生，而且能够控制这种信自 必的动
态传递的权重。本课题正是基于这思术百，试图创造
出这种新型的单电子器件和单电子神经元量子电路
硅基单电子神经元有希望以极低的功耗实现室温条件
下的信息传递，成为下代神经网络的基本单元，并
对基于纳电子神经网络技术的量子计算机的形成且 Z 、有
重要思义
发明内容
有鉴于此为利用纳米电子技术复制生物学神
经元功能，本发明的巨的在于提供种有非对称库
仑岛串联结构的新型硅基单电子器件，以及有这种类
型的单电子器件构建有神经元功能的量子电路单
电子神经元量子电路过调整库仑岛中能级的分布来
操纵电子的波函数，从而控制所关心的概率权重，进
行量子信息处理由硅基单电子器件构成的神经元量
子电路是未来纳电子神经网络的基本单元，可以实现
极咼的集成度、大规模的并行计算、局部的适应性、
分布式的数据处理能力和容错R匕 B匕力硅基单电子神经
元有希望以极低的功耗实现室温条件下的信息传递
成为下 一 代神经网络的基本单元。
为达到上述目的，本发明提供的 一 种硅基单电子 神经元量子电路，其特征在于，该电路包括
一单电子突触电路单元，由围栅型硅基单电子器 件实现权值的存储，对并行输入的信号进行加权求禾口 ；
单电子阈值门限电路单元，该单电子阈值门限
电路单元的输入l山 顿与单电子突触电路单元的求和结点
相联，该求和结点、电压触发由侧栅型硅基单电子器件
构成反相器结构，实现限幅函数输出；
—反馈电路单元，该反馈电路单元的输入一山 顿与单
电子阈值门限电路单元的输出—山 乂而相联，苴 z 输出丄山 顺与单
电子突触电路单元的控制栅极相联，将阈值门限电路
单元的输出信号反馈回单电子触电路单元调存
储的权值以及求和结点、电压。
苴 z 、中所述的单电子触电路单元由并行的围孤 微型
硅基单电子器件联接而成，输入信号由围栅型硅基单
电子器件的源极输入，漏极输出，并电流汇聚到求和
结点上积累存储电荷
中所述的单电子阈值门限电路单元由侧恤 微型硅
基单电子器件串联组成反相器结构，该侧恤 微型娃基单
电子明— 益件的极与单电子突触电路单元的求和结点、相联。
11
中所述的反销 顷电路单元将输出电压反馈作用于
触电路单元中围栅型单电子器件的小库仑岛栅电容
进行权值调整，并触发反馈电路单元中的耗尽型M0S
曰 曰曰体管导通使求和结点、电容:放电0
本发明卡的有效果是
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有、/. frff.
效果:
1、利用本发明围栅型硅基单电子晶体管，能
够在金属控制围栅和点接触结构之间，形成 一 个局域
的库仑岛区域通过围栅上电压的变化，库仑岛的尺
寸和费米能级也将发生变化，从而可以控制进入单电
子曰 曰曰体管的电荷量，电子具有顺序隧穿过程，更为容
易克服电子产生的信号噪声和室温浮动带来的环
境噪声，从而更为容易实现低功率、咼密度集成、超
快的响应速度坐 寸单电子器件的优点
2 、利用本发明，側J栅型硅基:单电子器件，能够
实现娃基单电子器件批量地具有稳定控制单电子输运
的能力，并可以有效克服硅基单电子曰 曰曰体管由于子
点尺寸差异所带来的子电学性能的不一致性。双量
子点接触结构的硅基单电子器件具有顺序隧穿过程，
更为易克服室温热浮动带来的环境噪声， 从而更为
容易实现低功率、咼密度集成、超快的响应速度等单
电子器件的优点
3、利用本发明，使单电子器件以神经网络结构
进行咼密度集成，克服了超咼密度集成的纳米单电子
电路存在的执起伏、明— 奋件性能参数的起伏以及局部可
罪性的起伏等利用非对称库仑岛串联结构的娃基单
电子器件组建新型人工神经元电路，模拟神经细胞中
的基本信息传递功能。静息的神经细胞膜有电学极
性，神经细胞依赖突触极性的变化来传递/、奋或抑制
信息的将10nm的小库仑岛与100n m的大库仑岛
串联起来由于电荷存储的容量差幵，将形成与神经
细胞突触类似的极化电位分布而库仑岛量子能级通
道与突触细胞膜的化学物质扩散通道功能类似电子
从大库仑岛进入小库仑岛，是—个电势分布去极化的
过程从而模拟神经细胞中的:基本'信,息r传递功f能c
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合
实施伊J及附图详细说明如后，其巾
图1为单电子神经元量子电路图2(a)为围栅型硅基单电子器件的结构示意图2为围栅型硅基单电子器件的电路示意图3 ( a )为侧栅型的硅基单电子器件的结构示意
图3 ( b )为侧栅型的硅基单电子器件的电路示意图。
且 z 、体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明
白，以下结合員体实施例，并参照附图，对本发明进
步详细说明
图i所示单电子神经元的电路，包括
单电子突触电路单元11 ，由围栅型硅基单电
子器件实现权值的存储，对并行输入的信号进行加权
求和
单电子阈值门限电路单元1 2 ，该单电子阈值
门限电路单元i2的输入端与单电子突触电路单元1
1的求和结点、相联该求和结点电压Vs触发由侧栅型
硅基单电子器件构成反相器结构，实现限巾'畐函数输出；
一反馈电路单元13 ，该反馈电路单元13的输
入"V山 顺与单电子阈值门限电路单元1 2的输出端相联，
其输出端与单电子突触电路单元1 1的控制栅极相
联，将阈值门限电路单元1 2的输出信号反馈回单电 子突触电路单元1 1 ，调节存储的权值以及求和结点
电压vs。
围栅型和侧栅型硅基单电子器件都具有非对称的
库仑岛串联结构，主要由1 0 nm量级的小库仑岛2 3 、 32、 33 (图2、图3中)禾B100nm量级的大库 仑岛2 8、 34 (图2、图3中)串联而成。小库仑 岛主要提供室温条件下单电子隧穿的能级通道，大的 库仑岛具有电荷缓存作用。
图2所示为围栅型硅基单电子器件，包括在SOI 衬底2 1的顶层硅上，制备 一 个量子点接触结构2 3 的硅纳米电导线2 2 。热氧化以后，在硅纳米线点接 触结构2 3处，由于应力将形成小于1 0 nm尺寸的小 库仑岛2 3 ，表面形成氧化绝缘层2 4 。制作源极和 漏极2 5 、2 6的欧姆接触后，在小库仑岛附近的一 侧制作 一 个控制围栅2 7 。这样，在控制围栅和点接 触结构之间，构成 一 个局域的大库仑岛区域2 8 ，用 于电荷存储。在器件的源漏两极2 5 、2 6加上偏压 时，使电子从控制围栅2 7 —侧流入大库仑岛2 8 。 通过栅电压变化，大库仑岛2 8的尺寸和费米能级也 将发生变化，从而可以控制存储电荷量和流经小库仑 岛2 3的电荷量。
图3所示为侧栅型硅基单电子器件包括在SOI衬 底3 1的顶层硅上，制备 一 个夹在两个量子点接触结
构3 1、 3 3之间的大硅库仑岛3 4，以及一个用于 控制大硅库仑岛3 4电势的硅侧栅电极3 5 。热氧化
以后，由于应力在两个点接触结构处将形成小于1 0
nm尺寸的两个小硅库仑岛3 1 、 3 3 ，表面由氧化绝
缘层3 6包裹。硅侧栅电极3 5上加上偏压，用以吸
引电荷进入大硅库仑岛3 4并存储在大硅库仑岛3 4 中，大硅库仑岛3 4的费米能级位置将随存储的电荷
量而变化。在源极3 7和漏极3 8加上偏压，单个电
荷将从 一 端小硅库仑岛顺序隧穿进入硅库仑岛，再通
过另 一 端小硅库仑岛单个顺序隧穿流出。通过大硅库
仑岛3 4的费米能级的变化可以控制流入和流出电荷 的几率。
单电子突触电路单元11(请再参阅图1 )由围
栅型鞋基单电子器件T,T2、丁:i实现权值的存储，对并
行输入的信号进行加权求和围栅型硅基单电子器件
作为触输入信号的权值生成器。权值的产生可以通
过围栅27控制的尺寸可变的大库仑岛2 8来实现。
不同尺寸的库仑岛具有不同的能级间距。尺寸大的库
仑岛能级分布密集，能级间距较小；尺寸小的库仑岛
能级分布稀疏，能级间距较:大,。单电子共隧穿通过时，
要求大、小库仑岛具有一致的量子能级。串联的大库
仑岛28与小库仑岛23的能级相匹配的几率决定单 电子隧穿的传递权重。通过围栅27控制大库仑岛2
8的尺寸，不仅能使输入信息以概率形式发生，而且
能够控制信息的动态传递权重。并行输入的加权信号
Vu、 Va、 vl:i电流合并，在加权求和结点累积存储电荷， 改变求和结点电势Vs。
阈值门限电路单元1 2由侧栅型硅基单电子器件 T\、 T5串联组成反相器结构。输出电路由独立电压Vd 偏置，相当于细胞膜静息电位。双量子点接触结构单 电子器件的开关取决于由求和结点处侧栅电容C4 、 C 控制的大库仑岛的电势。阈值门限输出电路的输出电 压V。不依赖于并行输入电压Vu、 Vi2、 Vi3，而依赖于独 立电压Vdd偏置和电容C。的积分电荷量。
权值调节反馈电路单元l 3将输出电压V。反馈作
用于突触单电子器件的小库仑岛栅电容Ch、 。2、 Cr3，进
行权值调整。同时，触发耗尽型M0S晶体管1\导通使
求和结点电容Cj;放电。
一段时间后，求和结点电势
降到足够低，侧栅型硅基单电子器件T4、 T5回到它的初
始状态且上述过程又可以开始。输入信号越强烈，
求 屮和结点电容Cz充电越快，就有越密集的脉冲序列输
如图1单电子神经元电路所示，并行输入的电压
信号V11， v12，Vi3通过围栅型硅基单电子器件T,、 T2、T3
作为突触，通过大库仑岛上的栅压V。控制 一 定的联接
电位，触发侧栅型硅基单电子器件T4、 T5工 立偏压Vdd的单电子器件串联结构电路输出电压信号
v。。输出电压几乎不依赖于输入电压，而是依赖于与细
用于突
整。同 电。 一 段时 电子器件回
胞膜电位相对应的电源电压。输出电
触单电子器件的小库仑岛栅电容进
时，耗尽型MOS晶体管1\导通使电容
间后，电势VJ争到足够低，侧栅型娃
到它的初始状态，且上述过程又可以
越强烈、电容Q充电越快，就有越密
-■定的联接
通过加权求
结点库仑岛
电路的激活
作，通过独
出电压信号
依赖于与细
馈作用于
值调整。同出。
以上所述的具体实施方式
和实施例，对本发明的
巨的、技术方案和有益效果进行了进步详细说明
所应理解的是，以上所述仅为本发明的員体实施方式
而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原
则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应
包含在本发明的保护范围之内
权利要求
1、 一种硅基单电子神经元量子电路， 其特征在于，该电路包括一单电子突触电路单元， 由围栅型硅基单电子器件实现权值的存储，对并行输入的信号进行加权求和；一单电子阈值门限电路单元， 该单电子阈值门限电路单元的输入端与单电子突触电路单元的求和结点相联， 该求和结点电压触发由侧栅型硅基单电子器件构成反相器结构， 实现限幅函数输出；一反馈电路单元， 该反馈电路单元的输入端与单电子阈值门限电路单元的输出端相联， 其输出端与单电子突触电路单元的控制栅极相联， 将阈值门限电路单元的输出信号反馈回单电子突触电路单元， 调节存储的权值以及求和结点电压。
2、根据权利要求1所述的硅基单电子神经元量子电路，苴 / 、特征在于，中所述的单电子突触电路单元由并行的围栅型硅基单电子器件联接而成，输入信号由围栅型娃基单电子器件的源极输入，漏极输出，并电流汇聚到求和结点上，积累存储电荷
3、根据权利要求1所述的硅基单电子神经元量 子电路，其特征在于，其中所述的单电子阈值门限电 路单元由侧栅型硅基单电子器件串联组成反相器结 构，该侧栅型硅基单电子器件的栅极与单电子突触电 路单元的求和结点相联。
4 、根据权利要求1所述的硅基单电子神经元量 子电路，其特征在于，其中所述的反馈电路单元将输 出电压反馈作用于突触电路单元中围栅型单电子器件 的小库仑岛栅电容进行权值调整，并触发反馈电路单 元中的耗尽型M0S晶体管导通，使求和结点电容放电。
全文摘要
一种硅基单电子神经元量子电路，该电路包括一单电子突触电路单元，由围栅型硅基单电子器件实现权值的存储，对并行输入的信号进行加权求和；一单电子阈值门限电路单元，该单电子阈值门限电路单元的输入端与单电子突触电路单元的求和结点相联，该求和结点电压触发由侧栅型硅基单电子器件构成反相器结构，实现限幅函数输出；一反馈电路单元，该反馈电路单元的输入端与单电子阈值门限电路单元的输出端相联，其输出端与单电子突触电路单元的控制栅极相联，将阈值门限电路单元的输出信号反馈回单电子突触电路单元，调节存储的权值以及求和结点电压。
文档编号G06N3/06GK101364594SQ20071012010
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者韩伟华 申请人:中国科学院半导体研究所