一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件及其制备方法与流程

本发明属于生命科学与半导体器件领域，涉及一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件及其制备技术。

背景技术：

2000年，诺贝尔生理学或医学奖得主geraldm.edelman说，脑科学的知识将奠定即将到来新时代之基础。当前，人脑科学研究越来越受到全世界的重视，各国政府都提出自己的“脑计划”：2013年欧盟启动了“人类大脑计划(thehumanbrainproject)”，重点研究医学、神经科学和计算机技术；同年，美国开启了“大脑基金计划(braininitiative)”，开发探索大脑来获得脑科学新发现；在我国，中科院于2014年提出了“中国大脑计划”，基于以探索脑奥秘、攻克脑疾病为主的脑科学研究和以研发人工智能技术为主的类脑研究。

随着各国“脑计划”的推进，全球涌现出大量的类脑器件，其技术路线主要分为两种：一是基于传统的cmos技术，其优点是工艺技术成熟，短时间内可以获得应用；二是忆阻器模拟神经突触，其优点是可以实现权重连续改变和断电记忆保持。这两种人工突触技术都是采用电信号传递刺激，与人脑相比功耗大，运算速度低，结构简单，功能局限，不能很好的适应快速发展的市场。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种首次实现了以光子取代电子或者质子作为信息载体来模拟神经递质的传输，成功模拟出人脑的空间累积和时空累积及识别效应的记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，同时提供了一种该器件的制备方法。

技术方案：本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，以si衬底gan基晶圆为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的n-gan层，设置在所述n-gan层上的发射极和集电极，在所述n-gan层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于所述下台面上的多个上台面，所述下台面上有向下刻蚀出的凹槽，并凸显形成波导，所述的发射极和集电极结构相同，均包括一个上台面和从下至上依次连接设置在上台面上的n-gan层、ingan/gan量子阱、p-gan层和p-电极，所述发射极分别通过波导与集电极连接，所述下台面上设置有n-电极，所述n-电极构成基极，所述发射极、集电极和基极构成光致突触晶体管；在所述n-gan层下方设置有与波导、p-电极与波导连接一端、n-电极与波导连接一端的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层到n-gan层的空腔，使所述光致突触晶体管和波导悬空。

进一步的，本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述光致突触晶体管和波导均在si衬底gan基晶圆的氮化物层上实现，其中波导只在n-gan层上，且与周边悬空薄膜完全隔离，形成发射极和集电极之间只通过波导相连的结构。

进一步的，本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述发射极、集电极、基极和波导均为多个，通过波导可连接更多的光致突触晶体管，实现更为复杂的神经元模拟。

进一步的，本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述发射极和波导均为两个，所述集电极和基极均为一个。

本发明的制备上述一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件的方法，包括以下步骤：

步骤(1)清洗si衬底gan基晶圆，用氮气吹干后对其背后硅衬底层进行减薄抛光处理；

步骤(2)使用光刻涂胶机在si衬底gan基晶圆上表面均匀地旋涂一层光刻胶i然后烘干，再将上台面区域的图形转移到涂好的光刻胶i上，之后去除台阶区域外的光刻胶i；

步骤(3)沿着被去除光刻胶的地方向下刻蚀si衬底gan基晶圆，直至刻蚀到n-gan层中，去除残留在台阶区域上的光刻胶i，得到上台阶结构；

步骤(4)在si衬底gan基晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶i，将p-电极图形区域和n-电极图形区域转移到已涂好的光刻胶上，通过反转工艺，去除p-电极图形区域和n-电极图形区域内的光刻胶i；

步骤(5)在所述p-电极图形区域和n-电极图形区域分别蒸镀ni/au，采用剥离工艺和温度控制在500±5℃的氮气退火技术，形成欧姆接触，去除残留光刻胶后得到p-电极与n-电极；

步骤(6)在si衬底gan基晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶i，将凹槽区域图形转移到涂好的光刻胶i上，再去除凹槽区域内的光刻胶i；

步骤(7)沿着被去除光刻胶i的地方向下刻蚀si衬底gan基晶圆，形成凹槽，去除残留光刻胶i后得到波导结构；

步骤(8)分别在si衬底gan基晶圆顶层涂光刻胶i和背后涂光刻胶ii保护，，然后烘干，之后定义出一个对准并覆盖波导、p-电极与波导连接的一端、n-电极与波导连接的一端的背后刻蚀窗口；

步骤(9)沿着背后刻蚀窗口，利用背后深硅刻蚀技术将硅衬底层贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面，形成一个空腔；

步骤(10)再沿着背后刻蚀窗口从下往上对si衬底gan基晶圆的外延缓冲层和n-gan层进行氮化物减薄刻蚀处理，直至把凹槽刻穿，完成背后减薄处理；

步骤(11)去除残留光刻胶ii，即得到一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件。

进一步的，本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述步骤(3)、步骤(7)和步骤(10)中刻蚀si衬底gan基晶圆，所用刻蚀气体均为cl2和bcl3混合离子气体，流速分别为10sccm和25sccm。

进一步的，本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述步骤(9)中的背后深硅刻蚀过程中先进行快速刻蚀，之后改为慢速刻蚀，避免快速刻蚀时强冲击力造成的si衬底gan基晶圆损伤。

本发明通过正反刻蚀，先从上而下刻出波导使波导两边形成凹槽，再从下而上先后采用背后深硅刻蚀和氮化物减薄直至把凹槽刻穿，形成波导悬空并与周边薄膜完全隔开的结构，使发射极只通过波导与集电极相连的结构。

本发明中，利用两个单脉冲分别驱动两个发射极，产生两个单刺激传入波导，被集电极感知，实现空间叠加效应，若两个单脉冲相同，则出现简单的叠加，增强记忆效果；若两个脉冲不同，除了叠加之后还可根据断层来识别脉冲，如图4(a)、4(b)。同理，图4(c)、4(d)中，利用连续脉冲替代单脉冲时，实现了时空叠加效应，若两个连续脉冲相同，则出现连续的叠加直到达到饱和，大大增强记忆效果；当两个连续脉冲不相同时，除了叠加之外，每个刺激都会有断层现象，根据断层来识别脉冲。

本发明用光致晶体管类脑芯片模拟生物突触，首次提出并实现用光信号替代传统的电信号完成刺激传输，模拟出人脑的多种记忆效应，同时研究神经刺激在脑中的存储记忆时间，为建立神经网络系统及发展拟人工智能奠定了基础。

本发明中，发射极作为神经刺激的产生源以及所述集电极作为刺激的感知端均可类比于神经元的细胞体，所述悬空波导比作神经突触，将单对发射极/集电极和悬空波导的集成可形成具有收发光信号刺激能力的单个记忆神经元结构，而该类脑器件是由两个共用刺激感知端的神经元组成的。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提出的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，相较于其他类脑器件，首次实现了以光子取代电子或质子作为信息载体来模拟神经递质的传输。

本发明提出的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，相较于其他类脑器件，实现了空间累积和时空混合累积及识别效应的模拟，显示出了单个或连续的刺激下多维记忆效应的叠加、断层现象。

本发明提出的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，相较于其他光致晶体管集成，悬空波导作为一个桥梁将光致晶体管的发射极与集电极相连，且波导两边与悬空薄膜完全隔开，即发射极的光是通过波导耦合进集电极的，不受悬空薄膜的影响。

本发明提出的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，其悬空波导的制备是通过正反刻蚀而得到，使得悬空波导的厚度可控从而获得超薄悬空波导，制备工艺巧妙又精简，充分限制光于波导内，并降低光在波导内的损耗。

本发明提出的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，通过悬空波导集成了两个发射极，按照此思路，可利用波导集成多个发射极，大大降低集成难度。

附图说明

图1是本发明一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件前视示意图。

图2是本发明一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件俯视示意图。

图3是本发明一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件的制备流程图。

图中有：1－硅衬底层；2－外延缓冲层；3－n-gan层；4－ingan/gan量子阱；5－p-gan层；6－p-电极；7－n-电极；8－波导；9－上台面；10－凹槽。

图4是本发明一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件的测试结果图，其中图4(a)为相同单脉冲刺激下的空间叠加，图4(b)为不同脉宽的单脉冲刺激下的空间叠加与断层识别，图4(c)为相同连续脉冲刺激下的时空混合叠加，图4(d)为不同脉宽的连续脉冲刺激下的时空混合叠加与断层识别。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

图1、图2给出了本发明的硅衬底悬空led光波导集成光子器件的结构示意图，该器件以si衬底gan基晶圆为载体，包括硅衬底层1、设置在所述硅衬底层1上的外延缓冲层2、设置在所述外延缓冲层2上的n-gan层3，设置在所述n-gan层3上的发射极和集电极，在所述n-gan层3上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于所述下台面上的多个上台面9，所述下台面上有向下刻蚀出的凹槽，并凸显形成波导8，所述的发射极和集电极结构相同，均包括一个上台面9和从下至上依次连接设置在上台面上的n-gan层3、ingan/gan量子阱4、p-gan层5和p-电极6，所述发射极分别通过波导8与集电极连接，所述下台面上设置有n-电极7，所述n-电极7构成基极，所述发射极、集电极和基极构成光致突触晶体管；

在所述n-gan层3下方设置有与波导8、p-电极6与波导8连接一端、n-电极7与波导8连接一端的位置正对且贯穿硅衬底层1、外延缓冲层2到n-gan层3的空腔，使所述光致突触晶体管和波导8悬空。

本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述光致突触晶体管和波导8均在si衬底gan基晶圆的氮化物层上实现，其中波导8只在n-gan层3上，且与周边悬空薄膜完全隔离，形成发射极和集电极之间只通过波导8相连的结构。

本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述发射极、集电极、基极和波导8均为多个，通过波导8可连接更多的光致突触晶体管，实现更为复杂的神经元模拟。

本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述发射极和波导8均为两个，所述集电极和基极均为一个。本发明的制备一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件的方法，具体步骤如下：

1)清洗si衬底gan基晶圆，用氮气吹干后对其背后硅衬底层1进行减薄抛光处理；

2)使用光刻涂胶机在si衬底gan基晶圆上表面均匀地旋涂一层光刻胶i然后烘干，再将上台面9区域的图形转移到涂好的光刻胶i上，之后去除台阶区域外的光刻胶i；

3)沿着被去除光刻胶的地方向下刻蚀si衬底gan基晶圆，直至刻蚀到n-gan层3中，去除残留在台阶区域上的光刻胶i，得到上台面9结构；

4)在si衬底gan基晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶i，将p-电极6图形区域和n-电极7图形区域转移到已涂好的光刻胶上，通过反转工艺，去除p-电极6图形区域和n-电极7图形区域内的光刻胶i；

5)在所述p-电极6图形区域和n-电极7图形区域分别蒸镀ni/au，采用剥离工艺和温度控制在500±5℃的氮气退火技术，形成欧姆接触，去除残留光刻胶后得到p-电极6与n-电极7；

6)在si衬底gan基晶圆上表面均匀涂上一层光刻胶i，将凹槽10区域图形转移到涂好的光刻胶i上，再去除凹槽10区域内的光刻胶i；

7)沿着被去除光刻胶i的地方向下刻蚀si衬底gan基晶圆，形成凹槽10，去除残留光刻胶i后得到波导8结构；

8)分别在si衬底gan基晶圆顶层涂光刻胶i和背后涂光刻胶ii保护，，然后烘干。之后定义出一个对准并覆盖波导8、p-电极6与波导8连接的一端、n-电极7与波导8连接的一端的背后刻蚀窗口；

9)沿着背后刻蚀窗口，利用背后深硅刻蚀技术将硅衬底层1贯穿刻蚀至外延缓冲层2的下表面，形成一个空腔；

10)再沿着背后刻蚀窗口从下往上对si衬底gan基晶圆的外延缓冲层2和n-gan层3进行氮化物减薄刻蚀处理，直至把凹槽10刻穿，完成背后减薄处理；

11)去除残留光刻胶ii，即得到一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件；

本发明的一种记忆增强及认知识别神经元的类脑器件，所述快速刻蚀与慢速刻蚀的时间可根据具体情况而定，一般的，快速刻蚀为37min或38min，慢速刻蚀为10min。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。