基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统及调制方法

本发明涉及半导体，特别涉及一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池系统及调制方法。

背景技术：

1、储备池计算方法来源于回声状态网络(echo state network)和液体状态机(liquid state machine)，在近年来已被广泛证明为处理时序信号的有效方法。与传统递归神经网络(recurrent neural network,rnn)相比，储备池计算无需训练各中间层之间的连接权重，只需训练输出层的权重，从而弥补了递归神经网络训练成本高的缺陷。得益于低训练开销，储备池计算已经在时间序列预测、图像识别、语音识别、非线性信道均衡等任务上展示出了优越的性能与突出的潜力。

2、储备池计算的工作原理是：将多个较前时间点的输入信息耦合在较后时间点的输出上，耦合强度随时间间隔延长而逐渐衰减。通过这种方式，储备池将输入时序信号非线性地映射到更高维的向量空间，再用较为简单的后续网络或线性回归算法完成识别。将较前时间点输入与较后时间点输出相耦合的具体方式，就是储备池的时间特性。

3、随着物联网(internet ofthings)的不断发展，新型边缘设备被越来越广泛地部署在各类应用场景中。更为复杂多元的环境中所产生的大量数据，也对边缘设备运算的灵活性、实时性也提出了更高的要求。当前，绝大多数基于微电子器件实现的储备池的时间特性都由制造工艺决定，器件一旦制备完成，时间特性就无法改变。然而，在实际复杂应用场景中(如人语音识别，人动作识别，车辆运动模式识别等)，不同类别的输入时序信号的特征时间尺度相差很大，只具有单一固定时间特性的储备池难以同时满足较复杂场景的计算要求，对具有可调时间特性的储备池的需求变得尤为迫切。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池系统及调制方法，以解决储备池计算系统时间特性单一，无法调节时间的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，包括：电子设备以及被所述电子设备控制的薄膜晶体管tft；

4、所述tft包括：依次层叠设置的栅电极、第二绝缘层、中间层、第一绝缘层、沟道层以及源/漏电极；

5、利用所述中间层内部的弛豫现象及其对沟道的栅控效应，可实现弛豫时间长度可调制的短期记忆特性，进而使储备池的时间特性可以被调制。

6、可选的，所述栅电极的材料为al、au、cu、tin、无定型导电氧化物、多晶硅或掺杂硅材料中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

7、可选的，所述源/漏电极的材料为al、au、cu、tin、无定型导电氧化物、多晶硅或掺杂硅材料中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

8、可选的，所述中间层的材料为氧化物材料，具体为：氧化锌、氧化铟、氧化镓、氧化铟镓锌及氧化铟锡中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

9、可选的，所述沟道层的材料为氧化铟镓锌，厚度为30nm。

10、可选的，所述第二绝缘层的材料为氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化硅及氮化硅中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

11、可选的，所述第一绝缘层的材料为氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化硅及氮化硅中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

12、本发明还提供了一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统调制方法，包括：

13、获取时序信号；所述时序信号为栅电压vg；

14、将所述时序信号施加到栅电极上；

15、将源电极接地；

16、在漏电极施加固定大小的正电压vd；并获取漏电极端电流id，将id作为输出信号；

17、通过选定基准电压值设定储备池时间尺度。

18、可选的，所述栅电压由基准电压和信号电压叠加而成。

19、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

20、本发明提出了一种基于薄膜晶体管(thinfilm transistor,tft)实现时间尺度可变储备池计算的方法及储备池计算系统，在本发明中，单个tft器件构成一个储备池单元，利用栅端电压作为时序信号输入端，漏端电流作为储备池计算结果输出端，通过储备池计算中的虚拟节点方法，将漏电极电流用于后续网络推理识别，通过在tft的沟道层与栅电极之间淀积额外的氧化物中间层，利用中间层内部的弛豫现象及其对沟道的栅控效应，实现了弛豫时间长度可调制的短期记忆特性，进而使得储备池的时间特性可以被调制。综上，本发明解决了时间特性单一、无法调节的问题，并且本发明提出的方法能调节储备池时间特性，使得其能更好地适应于不同类别的输入信号，从而提升储备池计算性能，并完成实时预测识别功能。

技术特征：

1.一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，包括：电子设备以及被所述电子设备控制的薄膜晶体管tft；

2.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述栅电极的材料为al、au、cu、tin、无定型导电氧化物、多晶硅或掺杂硅材料中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

3.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述源/漏电极的材料为al、au、cu、tin、无定型导电氧化物、多晶硅或掺杂硅材料中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

4.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述中间层的材料为氧化物材料，具体为：氧化锌、氧化铟、氧化镓、氧化铟镓锌及氧化铟锡中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

5.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述沟道层的材料为氧化铟镓锌，厚度为30nm。

6.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述第二绝缘层的材料为氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化硅及氮化硅中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

7.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述第一绝缘层的材料为氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化硅及氮化硅中的其中一种，厚度为1nm-500nm。

8.根据权利要求1所述的叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统，其特征在于，所述栅电极的底面积小于第二绝缘层的底面积。

9.一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统调制方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统调制方法，其特征在于，所述栅电压由基准电压和信号电压叠加而成。

技术总结
本发明公开了一种基于叠层薄膜晶体管的时间尺度可变储备池计算系统及调制方法，涉及半导体领域，包括：电子设备以及被所述电子设备控制的薄膜晶体管TFT；所述TFT包括：依次层叠设置的栅电极、第二绝缘层、中间层、第一绝缘层、沟道层以及源/漏电极。在本发明中，单个TFT器件构成一个储备池单元。本发明利用栅端电压作为时序信号输入端，漏端电流作为储备池计算结果输出端。通过储备池计算中的虚拟节点方法，将漏电极电流用于后续网络推理识别。本发明通过在TFT的沟道层与栅电极之间淀积额外的氧化物中间层，利用中间层内部的弛豫现象及其对沟道的栅控效应，实现了弛豫时间长度可调制的短期记忆特性，进而使得储备池的时间特性可以被调制。

技术研发人员：黄鹏,陈瑞齐,刘晓彦,康晋锋
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16