一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法

本发明属于感存内计算，特别涉及一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法。

背景技术：

1、传统冯·诺依曼计算架构在互补金属氧化物半导体系统中发挥了主导作用，其数据的处理和存储是分开的。然而，随着信息技术的飞速发展，尤其是智能物联网时代的到来，主流的计算架构正面临着由存储与处理分离所导致的冯·诺依曼瓶颈和内存墙。存储器和处理器之间日益频繁的数据传输导致了显著的功耗，阻碍了信息处理性能的提升。现有的解决冯·诺依曼瓶颈和内存墙问题的方法之一是：近存内计算，即在处理器周围通过3d堆叠放置大量的存储器，进而提高存储器的访问带宽。但是这种方法从本质上看仍然是存储与计算分离的架构，无法从根本上解决传统计算架构在日益增长的计算需求面前所面临的问题。因此，面对海量复杂信息的感知、存储及运算需求，发展高能效、低功耗、高算力的“非冯”架构新型感存算一体化器件及其芯片技术，已成为推动相关技术边界扩展的关键瓶颈技术。具备感知功能的存内逻辑技术被认为是很有前途的方案。在这种方法中，存储器感知到的信息可以在存内逻辑单元中直接进行逻辑计算，同时存储计算结果，实现感知、存储与计算的融合。当前具备存内逻辑功能的存储器主要包括相变存储器(pcram)、铁电存储器(feram)、磁性随机存储器(mram)、电阻型随机存储器(rram)，这些存储器的本质都是通过对外表现的导电性差异来存储数据，在工作过程中不可避免的读取电流和潜径电流会导致额外的静态功耗，严重降低了信息处理的能效效益。

2、为解决现有阻变存储器的能效问题，研究者提出了铁电电容型存储器，该存储器为单电容结构，避免了静态功耗，所以可实现低功耗特性。研究者最近提出的光控电容型铁电存储器揭示了铁电电容型存储器在感存算应用领域具有巨大潜力，但目前针对铁电电容型存储器的研究极其有限，并且现有的铁电电容型存储器并不具备存内逻辑运算功能，严重阻碍了铁电电容型存储器在感存算一体化技术中的应用，限制了具备高能效、低功耗、高算力的感存算技术的发展。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，将铁电电容型存储器的外加电信号和光信号作为输入信号，铁电电容型存储器的最终电容状态作为输出信号，通过调控铁电电容型存储器的初始电容状态进而改变器件的逻辑功能，最终在单个铁电电容型存储器件上实现“与非门”(nand)和“非门”(not)的可重构光电存内逻辑功能。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，所述铁电电容型铁电存储器包括相接触的半导体层和铁电介质层，所述铁电介质层接顶电极，所述半导体层接底电极；其特征在于：

4、以所述半导体层电容与所述铁电介质层电容的串联电容(cacc)的高电容状态或低电容状态，代表铁电存储器的两种存储信息；

5、记所述顶电极施加电压信号和光信号之前的cacc为铁电电容型存储器的初始电容状态s；施加电压信号和光信号之后的cacc为输出y；

6、以高电容状态时cacc取值为1，低电容状态时cacc取值为0，则s＝1时，输出y为与非门逻辑，当s＝0时，输出y为非门逻辑；由此，通过调控初始电容状态s，实现与非门和非门光电存内逻辑操作可重构，并通过向所述顶电极施加电压信号和光信号，控制实现所述高电容状态或所述低电容状态。

7、在一个实施例中，记所述顶电极施加的电压信号为a，记所述顶电极施加的光信号为b；当输出y为与非门逻辑时，逻辑运算结果为当输出y为非门逻辑时，逻辑运算结果为

8、在一个实施例中，在所述顶电极上方施加光照时，光信号取1，b＝1；在顶电极上方未施加光照，即器件处于黑暗环境时，光信号取0，b＝0。

9、在一个实施例中，所述半导体层选用p型半导体；所述顶电极施加正电压，电压信号取1，a＝1；顶电极施加负电压，电压信号取0，a＝0。

10、在一个实施例中，所述电压信号为脉冲电压。

11、在一个实施例中，所述半导体层选用p型半导体；通过在光照情况下向顶电极施加负电压将初始电容状态s设置为高电容状态；通过在光照情况下向顶电极施加正电压将初始电容状态s设置为低电容状态；

12、在一个实施例中，所述底电极和顶电极的材料采用ito、金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种；所述铁电介质层的材料采用hzo、hao、hso、hyo、bfo、alscn、pzt、bst、zro2、al2o3、znsno3中的任意一种，所述半导体层采用si、ge、sige、gan、aln、gaas和sic中的任意一种。

13、在一个实施例中，所述半导体层的耗尽层的厚度范围为1nm～1000nm。

14、本发明还要求保护使用所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法的铁电电容型存储器。

15、本发明还进一步要求保护使用所述铁电电容型存储器的高效感存算一体的人工视觉系统。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明的有益效果是：本发明提供一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，利用输入的电信号和光信号协同调控铁电介质层的极化状态，进而调控半导体中与极化电荷相互响应的光生少子或者半导体层的多子空穴，实现对输出的cacc电容高低状态的编辑，从而使铁电电容型存储器上具备存内逻辑功能，以解决目前现有的铁电电容型存储器并不具备存内逻辑运算功能的问题。其次，本发明利用光信号作为输入信号之一，为铁电电容型存储器的存内逻辑功能赋予光感知能力，使其可以应用于感知-存储-计算一体化技术中，有利于高能效、低功耗、高算力的感知-存储-计算一体化技术的发展。除此之外，本发明利用初始电容状态s的高或低调控输出的逻辑，当初始电容状态s＝1时，输出y输出为“与非门”逻辑，当初始电容状态s＝0时，输出y输出为“非门”逻辑，从而使单个铁电电容型存储器上具备“与非门”和“非门”可重构光电存内逻辑功能，提高了单个器件的功能密度，增强了电路设计和集成的灵活性，拓宽了电路的缩放空间，为突破后摩尔时代集成电路尺寸缩放和冯诺依曼架构瓶颈开辟了新的途径。

18、本发明同时获得具备光电感知、逻辑可重构的铁电电容型存储器存内逻辑功能实现方法，可用于发展高能效、低功耗、高算力的感存算一体化器件及芯片技术，具备光电可重构存内逻辑功能的铁电电容型存储器有望成为大数据时代理想的集高效数据感知、存储、运算于一体的器件结构之一；且该器件所属结构及材料均为集成电路工艺兼容材料，可以与集成电路硅基工艺兼容，能够与现有的集成电路制造产业相兼容。

技术特征：

1.一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，所述铁电电容型铁电存储器包括相接触的半导体层(2)和铁电介质层(3)，所述铁电介质层(3)接顶电极(4)，所述半导体层(2)接底电极(1)；其特征在于：

2.根据权利要求1所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，记所述顶电极(4)施加的电压信号为a，记所述顶电极(4)施加的光信号为b；当输出y为与非门逻辑时，逻辑运算结果为当输出y为非门逻辑时，逻辑运算结果为

3.根据权利要求2所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，在所述顶电极(4)上方施加光照时，光信号取1，b＝1；在顶电极(4)上方未施加光照，即器件处于黑暗环境时，光信号取0，b＝0。

4.根据权利要求2或3所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，所述半导体层(2)选用p型半导体；所述顶电极(4)施加正电压，电压信号取1，a＝1；顶电极(4)施加负电压，电压信号取0，a＝0。

5.根据权利要求2所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，所述电压信号为脉冲电压。

6.根据权利要求1所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，所述半导体层(2)选用p型半导体；通过在光照情况下向顶电极(4)施加负电压将初始电容状态s设置为高电容状态；通过在光照情况下向顶电极(4)施加正电压将初始电容状态s设置为低电容状态。

7.根据权利要求1所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，所述底电极(1)和顶电极(4)的材料采用ito、金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种；所述铁电介质层(3)的材料采用hzo、hao、hso、hyo、bfo、alscn、pzt、bst、zro2、al2o3、znsno3中的任意一种，所述半导体层(2)采用si、ge、sige、gan、aln、gaas和sic中的任意一种。

8.根据权利要求1或7所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，其特征在于，所述半导体层(2)的耗尽层的厚度范围为1nm～1000nm。

9.铁电电容型存储器，使用权利要求1至8任一项所述铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法。

10.感存算一体的人工视觉系统，使用权利要求9所述铁电电容型存储器。

技术总结
本发明提供了一种铁电电容型存储器可重构光电存内逻辑操作方法，属于感存内计算领域。所述的铁电电容型存储器包括自下而上依次设置的底电极、半导体层、铁电介质层、顶电极；所述的顶电极施加输入电压信号A和光信号B前的C<subgt;acc</subgt;记为铁电电容型存储器的初始电容状态S。所述的铁电电容型存储器，当初始电容状态S＝1时，输出Y输出为“与非门”逻辑，当初始电容状态S＝0时，输出Y输出为“非门”逻辑，通过调控初始电容状态S实现铁电电容型存储器的“与非门”和“非门”可重构光电存内逻辑功能。本发明提供的可重构光电存内逻辑功能实现方法可以使铁电电容型存储器应用于发展高能效、低功耗、高算力感存算一体化器件及芯片技术。

技术研发人员：周久人,刘宁,韩根全,郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16