一种半导体器件单元以及图像识别装置的制作方法

本发明涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种半导体器件单元以及图像识别装置。

背景技术：

图像识别是人工智能技术的一个重要领域，目前，在采集到要识别的图像之后，该图像以数字信号的形式传送至处理器中，处理器中预置有识别算法，在处理器中利用识别算法对图像进行对象识别。然而，处理器是需要外接电源才可以工作的，在一些特殊环境，例如野外或太空等，并不能得到应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体器件单元以及图像识别装置，利用半导体器件实现图像识别。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种半导体器件单元，包括：

衬底；

分别位于所述衬底上的光电二极管以及自旋转移力矩磁阻随机存储器，所述光电二极管包括由下至上依次层叠的底电极、第一掺杂类型半导体层、第二掺杂类型半导体层和顶电极，所述自旋转移力矩磁阻随机存储器包括由下至上依次层叠的底电极、磁性隧道结和顶电极；

其中，所述光电二极管的底电极通过第一电连线电连接至所述自旋转移力矩磁阻随机存储器的底电极，所述光电二极管的顶电极通过第二电连线电连接所述自旋转移力矩磁阻随机存储器的顶电极，所述第一电连线和/或所述第二电连线中连接有开关器件。

可选地，所述磁性隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层、第二磁性层和保护层。

可选地，所述磁性隧道结还包括所述第一磁性层下的第一钉扎层和/或第二磁性层与保护层之间的第二钉扎层。

可选地，所述光电二极管为可见光、红外或紫外光电二极管。

一种半导体器件单元，包括：

衬底；

分别位于所述衬底上的光电二极管以及自旋轨道矩磁阻式随机存储器，所述光电二极管包括由下至上依次层叠的底电极、第一掺杂类型半导体层、第二掺杂类型半导体层和顶电极，所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器包括由下至上依次层叠的底电极、自旋轨道耦合层、磁阻隧道结和顶电极；

其中，所述光电二极管的底电极通过第一电连线电连接至所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器的底电极，所述光电二极管的顶电极通过第二电连线电连接所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器的顶电极，所述第一电连线和/或所述第二电连线中连接有开关器件。

可选地，所述磁阻隧道结包括由下至上依次层叠的第一磁性层、遂穿层、第二磁性层以及保护层。

可选地，所述磁阻隧道结还包括所述第二磁性层与所述保护层之间的钉扎层。

可选地，所述光电二极管为可见光、红外或紫外光电二极管。

一种图像识别装置，包括多个上述任一的半导体器件单元，多个所述半导体器件单元中的自旋转移力矩磁阻随机存储器用于存储人工神经网络的权重，所述光电二极管的光电信号为图像识别模型的输入信号。

一种图像识别装置，包括多个上述任一的半导体器件单元，多个所述半导体器件单元中的自旋轨道矩磁阻式随机存储器用于存储人工神经网络的权重，所述光电二极管的光电信号为图像识别模型的输入信号。

本发明实施例提供的半导体器件单元以及图像识别装置，包括光电二极管和磁阻随机存储器，磁阻随机存储器可以为自旋转移力矩磁阻随机存储器或自旋轨道矩磁阻式随机存储器，光电二极管和磁阻随机存储器的底电极相互电连接，光电二极管和磁阻随机存储器的顶电极相互电连接。由于磁阻随机存储器具有无限次重复写入以及永久存储的特性，可以用于存储人工神经网络的计算权重，光电二极管感光后产生光电流信号，而光电流的大小与磁阻随机存储器读取电流的量级相似，光电流流入磁阻随机存储器，从而可以用于人工神经网络图像识别。由于光电二极管为自驱动的pn结器件，无需额外电源，能耗低且可以应用于断电的特殊环境中，同时，直接对模拟信号进行识别，实现更为智能的图像识别。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例一的半导体器件单元的立体结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例二的半导体器件单元的立体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术中的描述，目前，进行图像识别时，在采集到要识别的图像之后，该图像以数字信号的形式传送至处理器中，处理器中预置有识别算法，在处理器中利用识别算法对图像进行对象识别。然而，处理器是需要外接电源才可以工作的，在一些特殊环境，例如野外或太空等，并不能得到应用。

为此，本申请提出了一种半导体器件单元以及图像识别装置，包括光电二极管和磁阻随机存储器，磁阻随机存储器可以为及自旋转移力矩磁阻随机存储器(sttmram)或自旋轨道矩磁阻式随机存储器(sotmram)，光电二极管和磁阻随机存储器的底电极相互电连接，光电二极管和磁阻随机存储器的顶电极相互电连接。由于磁阻随机存储器具有无限次重复写入以及永久存储的特性，可以用于存储人工神经网络的计算权重，而光电二极管感光后产生光电流信号，而光电流的大小与磁阻随机存储器读取电流的量级相似，光电流流入磁阻随机存储器，从而可以用于人工神经网络图像识别。由于光电二极管为自驱动的pn结器件，无需额外电源，能耗低且可以应用于断电的特殊环境中，同时，直接对模拟信号进行识别，实现更为智能的图像识别。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合具体的实施例进行详细的描述。

实施例一

参考图1所示，本实施例中，该半导体器件单元10包括：

衬底100；

分别位于所述衬底100上的光电二极管110以及自旋转移力矩磁阻随机存储器120，所述光电二极管110包括由下至上依次层叠的底电极112、第一掺杂类型半导体层114、第二掺杂类型半导体层116和顶电极118，所述自旋转移力矩磁阻随机存储器120包括由下至上依次层叠的底电极122、磁性隧道结和顶电极134；

其中，所述光电二极管110的底电极112通过第一电连线140电连接至所述自旋转移力矩磁阻随机存储器120的底电极122，所述光电二极管110的顶电极118通过第二电连线150电连接所述自旋转移力矩磁阻随机存储器120的顶电极134，所述第一电连线140和/或所述第二电连线150中连接有开关器件160。

在本申请实施例中，衬底100主要起到支撑作用，衬底100可以为半导体衬底或其他衬底，半导体衬底例如可以为si衬底、ge衬底、sige衬底、soi(绝缘体上硅，silicononinsulator)或goi(绝缘体上锗，germaniumoninsulator)等。本实施例中，衬底100可以为硅衬底。

在本申请实施例中，光电二极管110中的第一掺杂类型半导体层114和第二掺杂类型半导体层116具有相反的掺杂类型，第一掺杂类型半导体层114为p型半导体层，则第二掺杂类型半导体层116为n型半导体层；第一掺杂类型半导体层114为n型半导体层，则第二掺杂类型半导体层116为p型半导体层，第一掺杂类型半导体层114和第二掺杂类型半导体层116构成p-n结的结构。第一掺杂类型半导体层114和第二掺杂类型半导体层116可以为半导体材料或半导体化合物材料，根据不同的感光波谱的波长要求，第一掺杂类型半导体层114和第二掺杂类型半导体层116可以为硅、锗、砷化铟镓等材料。

在具体的应用中，光电二极管110可以为可见光、红外或紫外光电二极管等，可以分别探测可见光、红外光和紫外光波段。

本实施例中，自旋转移力矩磁阻随机存储器120的磁性隧道结至少包括由下至上依次层叠的第一磁性层126、遂穿层128和第二磁性层130，更优地，第一磁性层126下和/或第二磁性层130上还可以设置有钉扎层124，第二磁性层130上还可以设置有保护层132。

其中，第一磁性层126和第二磁性层130可以由铁磁材料形成，该铁磁材料可以为单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物等，例如可以为co、fe、cofeb或fept等硬磁材料。根据具体的需要，第一磁性层126和第二磁性层130可以为相同或不同的材料。钉扎层124用于固定第一磁性层126的磁化方向，钉扎层124可以为反铁磁材料，例如可以为copt多层膜人工反铁磁等。保护层132起到防止磁性层被氧化的作用，保护层132通常可以为金属材料，例如可以为ta、ru等。

光电二极管110的底电极112和顶电极118，以及自旋转移力矩磁阻随机存储器120的底电极122和顶电极134，可以由导电材料形成，导电材料注入金属、导电金属氧化物或导电金属氮化物等，典型地，可以为cu。

光电二极管110的底电极112通过第一电连线140电连接到自旋转移力矩磁阻随机存储器120的底电极124，光电二极管110的顶电极118通过第二电连线150电连接到自旋转移力矩磁阻随机存储器120的顶电极134，这样，使得光电二极管110与自旋转移力矩磁阻随机存储器120形成串联的回路，由于光电二极管110为自驱动的p-n结，在探测到光线之后，产生光电流信号，而光电流的大小与磁阻随机存储器读取电流120的量级相似，光电流流入磁阻随机存储器120，从而可以用于图像识别。

在本申请实施例中，第一电连线和第二电连线可以在上述光电二极管和自旋转移力矩磁阻随机存储器制造过程中形成，可以通过一层或多层的互连结构实现，也可以在上述光电二极管和自旋转移力矩磁阻随机存储器制造完成之后，通过外置的电连线来实现。

在第一电连线140和/或第二电连线150中还设置有开关器件160，开关器件160例如可以为cmos晶体管器件，该开关器件160用于控制光电二极管110与自旋转移力矩磁阻随机存储器120的回路的导通状态，当开关器件处于断开状态时，自旋转移力矩磁阻随机存储器120与光电二极管110彼此独立，自旋转移力矩磁阻随机存储器120可以用于进行图像识别模型的训练，而当开关器件160处于闭合状态时，光电二极管110与自旋转移力矩磁阻随机存储器120的回路处于导通状态，光电二极管110将接收的光信号转化为光电流，进而输入到自旋转移力矩磁阻随机存储器120，自旋转移力矩磁阻随机存储器120可以用于通过光电流信号进行图像的识别。

基于上述的半导体器件单元10，本申请实施例还提出了一种图像识别装置，该图像识别装置由多个上述实施例中的半导体器件单元10组成，可以是由上述半导体器件单元10形成的芯片，这些半导体器件单元10可以呈阵列排布，多个所述半导体器件单元10中的自旋转移力矩磁阻随机存储器120用于存储人工神经网络的权重，所述光电二极管110的光电信号为图像识别模型120的输入信号。

具体的应用中，图像识别模型可以为基于深度学习的人工神经网络模型，可以根据模型的规模确定半导体器件单元10的数量，当控制开关器件160处于断开状态时，该图像识别装置中的自旋转移力矩磁阻随机存储器120用于进行图像识别模型的训练，并存储训练后的权重；而当开关器件160处于闭合状态时，光电二极管110将接收的光信号转化为光电流，进而输入到自旋转移力矩磁阻随机存储器120，基于自旋转移力矩磁阻随机存储器120中的权重进行计算，进而进行图像识别。

在本实施例的存储器单元及图像识别装置中，光电二极管为自驱动的pn结器件，无需额外电源，能耗低且可以应用于断电的特殊环境中，同时，直接对模拟信号进行识别，实现更为智能的图像识别。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例中采用自旋轨道矩磁阻式随机存储器构成器件单元，以下将重点描述与实施例一中不同的部分，相同部分将不再赘述。

参考图2所示，本实施例中，该半导体器件单元20包括：

衬底200；

分别位于所述衬底200上的光电二极管210以及自旋轨道矩磁阻式随机存储器220，所述光电二极管210包括由下至上依次层叠的底电极212、第一掺杂类型半导体层214、第二掺杂类型半导体层216和顶电极218，所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器220包括由下至上依次层叠的底电极222、自旋轨道耦合层224、磁阻隧道结和顶电极234；

其中，所述光电二极管210的底电极212通过第一电连线240电连接至所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的底电极222，所述光电二极管210的顶电极218通过第二电连线250电连接所述自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的顶电极234，所述第一电连线240和/或所述第二电连线250中连接有开关器件260。

本实施例中，衬底200主要起到支撑作用。光电二极管210中的第一掺杂类型半导体层214和第二掺杂类型半导体层216具有相反的掺杂类型，构成p-n结的结构。光电二极管210可以为可见光、红外或紫外光电二极管等，可以分别探测可见光、红外光和紫外光波段。

其中，自旋轨道耦合层224为具有自旋-轨道耦合效应的材料制成，通常地，自旋轨道耦合层224可以为具有自旋耦合效应的金属层或拓扑绝缘体层，优选地，可以选择具有大自旋轨道耦合强度的材料，金属层的材料例如可以为ta、pt、w、hf、ir、cubi、cuir或auw等，拓扑绝缘体层的材料例如可以为bisn、snte、bise，等或其他iva、va及via族化合物中的一种。

磁阻隧道结至少包括由下至上依次层叠的第一磁性层226、遂穿层228和第二磁性层230，更优地，还可以包括第二磁性层230之上的钉扎层232，以及钉扎层232或第二磁性层230之上的保护层(图未示出)。

第一磁性层226和第二磁性层230由具有垂直各向异性的铁磁材料形成，铁磁材料可以为单质铁磁材料、合金铁磁材料或具有磁性的金属氧化物等，例如可以为co、fe、cofeb或fept等硬磁材料。根据具体的需要，第一磁性层226和第二磁性层230可以为相同或不同的材料。

遂穿层228位于第一磁性层226和第二磁性层230之间，可以由非磁金属或绝缘材料制成，非磁金属例如可以为cu或ag，绝缘材料例如可以为氧化铝、氧化镁或氧化铪等。钉扎层232用于固定磁化方向，为了便于描述，该第二磁性层230之上的钉扎层可以记做顶部钉扎层，还可以在第一磁性层226下也设置底部钉扎层，钉扎层232的材料例如可以为copt多层膜人工反铁磁等。保护层起到防止磁性层被氧化的作用，保护层通常可以为金属材料，例如ta、ru等。

光电二极管210的底电极212和顶电极218，以及自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的底电极222和顶电极234，可以由导电材料形成，导电材料注入金属、导电金属氧化物或导电金属氮化物等，典型地，可以为cu。

光电二极管210的底电极212通过第一电连线240电连接到自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的底电极222，光电二极管210的顶电极218通过第二电连线250电连接到自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的顶电极234，这样，使得光电二极管210与自旋轨道矩磁阻式随机存储器220形成串联的回路，由于光电二极管210为自驱动的p-n结，在探测到光线之后，产生光电流信号，而光电流的大小与自旋轨道矩磁阻式随机存储器220读取电流的量级相似，光电流流入自旋轨道矩磁阻式随机存储器220，从而可以用于图像识别。

在实施例中，第一电连线240和第二电连线250可以在上述光电二极管210和自旋轨道矩磁阻式随机存储器220制造过程中形成，可以通过一层或多层的互连结构实现，也可以在上述光电二极管210和自旋轨道矩磁阻式随机存储器220制造完成之后，通过外置的电连线来实现。

在第一电连线240和/或第二电连线250中还设置有开关器件260，该开关器件260用于控制光电二极管210与自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的回路的导通状态，当开关器件260处于断开状态时，自旋轨道矩磁阻式随机存储器220与光电二极管210彼此独立，自旋轨道矩磁阻式随机存储器220可以用于进行图像识别模型的训练，而当开关器件260处于闭合状态时，光电二极管210与自旋轨道矩磁阻式随机存储器220的回路处于导通状态，光电二极管210将接收的光信号转化为光电流，进而输入到自旋轨道矩磁阻式随机存储器220，自旋轨道矩磁阻式随机存储器220可以用于通过光电流信号的进行图像的识别。

基于上述的半导体器件单元20，本申请实施例还提出了一种图像识别装置，该图像识别装置由多个上述实施例中的半导体器件单元20组成，可以是由上述半导体器件单元20形成的芯片，这些半导体器件单元20可以呈阵列排布，多个所述半导体器件单元20中的自旋轨道矩磁阻式随机存储器220用于存储人工神经网络的权重，所述光电二极管210的光电信号为图像识别模型的输入信号。

具体的应用中，图像识别模型可以为基于深度学习的人工神经网络模型，可以根据模型的规模确定半导体器件单元20的数量，当控制开关器件260处于断开状态时，该图像识别装置中的自旋轨道矩磁阻式随机存储器220用于进行图像识别模型的训练，并存储训练后的图像识别模型；而当开关器件260处于闭合状态时，光电二极管210将接收的光信号转化为光电流，进而输入到自旋轨道矩磁阻式随机存储器220，基于自旋轨道矩磁阻式随机存储器中的图像识别模型，进而进行图像识别。

在本实施例的存储器单元及图像识别装置中，光电二极管为自驱动的pn结器件，无需额外电源，能耗低且可以应用于断电的特殊环境中，同时，直接对模拟信号进行识别，实现更为智能的图像识别。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。