一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片的制作方法

本发明属于半导体材料、可见光通信、生物科学技术领域，涉及一种基于ingan/gan量子阱光致晶体管的类脑器件，。

背景技术：

人脑工程是当之无愧的21世纪最为前沿的技术之一，其发展将极大地提升和扩展人类的能力边界，对促进技术创新、提升国家竞争优势乃至推动人类社会发展产生深远影响。脑工程这一领域在未来的几十年都会备受关注，我国也大力推进脑工程项目的实行。其中，类脑芯片的研究是其中一个主要的研究方向。传统的计算机芯片主要基于冯诺依曼架构，处理单元和存储单元是分开的，通过数据传输总线相连，芯片的处理能力被总线的容量大大限制。

类脑芯片集存储单元和处理单元于一体，在处理数据的过程中会降低很多功耗。并且，基于可见光通信的这种芯片的物理性能十分优异。作为第三代半导体材料，氮化镓拥有优异的光学、电学、机械和压电性能。通过改变in、ga、al的含量，可以调控材料的禁带宽度，制备紫外、可见光及近红外波段的发光器件。这使得芯片对于光信号的激发和感知都有非常高的性能。

现有的类脑芯片大多为基于电的类脑芯片，例如忆阻器等，这种类脑芯片的研究已经有了一定程度的进展，但这种传统的电器件有固有的发热这一问题，高度集成之后散热不方便。而基于光的类脑器件内传输的是冷光源，它可以很好地避免发热这一问题，并且可以节省很多能量的消耗，而且寿命长。所以，在未来基于光的类脑器件被认为代表了未来芯片技术的发展方向。

技术实现要素：

本发明的目的是提除一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片，可以实现类脑芯片对于信息的接收、存储、叠加，对于不同强度信号具有不同强度的记忆的功能，并且对于信息的传输和存储具有两种不同的工作模式，同时还提出了一种该器件的制备方法。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案为一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片，该芯片以si衬底gan基晶片为载体，包括硅衬底层，设置在硅衬底层上的外延缓冲层，设置在外延缓冲层上的n-gan层，在n-gan层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，阶梯状台面包括上台面和位于上台面一侧的下台面，上台面从下至上依次连接设置n-gan层、ingan/gan量子阱和p-gan层，上台面上设置有p-电极，下台面上设置有n-电极，所述n-gan层、ingan/gan量子阱、p-gan层、p-电极构成发射极/集电极，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n-gan层下方设置有与部分p-电极和部分n-电极的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层和部分n-gan层的空腔，使得所述晶体管悬空。

进一步，上述器件的传输是基于光子的，当器件接收到信号后会转化成光信号，通过光在器件内部传输。

上述基极、发射极和集电极部分亦可看作是一对共n极的pn结，任意一端的p-电极和n-电极组成的pn结既可以当做led，也可以当做光电探测器，即信息的传输可以是双向的而非单向的，当信号加载到所述的任意一端的p-电极和n-电极上时，另一端的p-电极和n-电极上可以检测到所加载的信号。

当加载的信息在器件内部传输时，信息会在器件内部滞留一定的时间，即信息会被记忆一定时间，并且在存储时间内当后面的信号到来时，会和存储的信号产生叠加，即器件对信息有存储和记忆效应。

当输入的连续的脉冲信号强度较弱时，信号会在记忆时间内持续叠加，当输入的连续的脉冲信号强度较强时，信号会在记忆时间结束前就趋于稳定，不再叠加，即具有饱和效应，在出现饱和效应的条件下，再加大输入的信号的幅度，会使饱和现象出现的时间提前，并且饱和值会有所增加。

本发明的器件具有双模式工作机制，在信息传输时，作为光电探测器的一端加载偏置电压使其点亮时，器件处于另一种工作模式，在这种模式下，器件的记忆效果会被消除，即器件可以对信息进行无延时的迅速传输。

本发明还进一步提出一种制备上述基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片的方法，具体包含以下步骤：

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p-gan台阶区域的图形转移到涂好的光刻胶i上，然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p-gan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)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，定义出一个对准并覆盖部分p-电极和n-电极的背后刻蚀窗口；

步骤(7)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(8)再沿着背后刻蚀窗口从下往上对外延缓冲层和n-gan层进行氮化物减薄刻蚀处理，完成背后减薄处理；

步骤(9)去除残留光刻胶ii，即得到一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片。

上述步骤(3)和步骤(8)中刻蚀晶圆，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。

上述步骤(7)中，深硅刻蚀过程中先进行～38min的快速刻蚀，之后改为～15min慢速刻蚀，以避免快速刻蚀时强冲击力造成的si衬底gan基晶圆损伤。

作为优选，上述光刻胶i为光刻胶5214，光刻胶ii为光刻胶4620。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1，本发明提出的,基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片，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。

2，本发明提出的双模式类脑神经元芯片，两端的pn结既可以做led，也可以做光电探测器，即信号可以双向传输。

3，可以完成对刺激信号的感知、存储以及在连续刺激信号的时候对信号的叠加累积的渐进过程。

4，本发明首次提出在信息传输时，将作为光电探测器的一端点亮，使其处于另一种工作模式，在这一种模式下信息可以被迅速传输，即器件可以根据模式的不同来选择是否记忆。

附图说明

图1是本发明一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片的示意图。

图2是本发明一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片对单个脉冲刺激信号的记忆效果图。

图3是本发明一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片对连续的脉冲刺激信号的记忆叠加效果图。

图4是本发明一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片度连续脉冲刺激信号进行记忆叠加产生饱和效应的效果图。

图5是本发明一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片在信息感知端加载偏置电压点亮的工作模式下对信号的处理结果图，

图中：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(发射极/集电极)；7－n-电极(基极)；8－上台面。

(这里由于pn结的特性，发射极和集电极的功能可以对调)。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出的一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片，如图1和2所示，芯片以si衬底gan基晶片为载体，包括硅衬底层(1)，设置在硅衬底层(1)上的外延缓冲层(2)，设置在外延缓冲层(2)上的n-gan层(3)，在n-gan层(3)上表面有刻蚀出的阶梯状台面，阶梯状台面包括上台面(8)和位于上台面一侧的下台面，上台面从下至上依次连接设置n-gan层(3)、ingan/gan量子阱(4)和p-gan层(5)，上台面(8)上设置有p-电极(6)，下台面上设置有n-电极(7)，所述n-gan层(3)、ingan/gan量子阱(4)、p-gan层(5)、p-电极(6)构成发射极/集电极，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n-gan层(3)下方设置有与部分p-电极(6)和部分n-电极(7)的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)和部分n-gan层(3)的空腔，使得所述晶体管悬空。

该类脑器件以硅基氮化物晶片为载体，包括基极(n-电极)，发射极(p-电极)和集电极(另一个p-电极)。由于pn结的特性，所述两个pn结中的任意一端均可以作为刺激的产生源以及另一端的pn结作为刺激的感知端，将这对可双向传输信息的pn结集成于同一片晶圆上，形成具有收发光信号刺激能力的单个记忆神经元结构。

基极、发射极和集电极均在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现。所述类脑器件在信息的传输过程中是基于光子而非以往的电子或质子。

两个共n-极pn结均可以作为刺激的产生源，此时另一端的pn结作为刺激的感知端，即两端均可以作为光发射端和光电探测器端，信息可以双向传输。当刺激信号加载到任意一端的p-电极和n-电极上时，另一端的p-电极和n-电极可以检测到刺激信号。

本发明中，当信息在所述类脑器件内部传输时会被存储一定时间，即器件对信息有一定时间内的记忆效果，并且在记忆时间内，后续的刺激信号再次到来时，会和记忆中的信息产生叠加。

双模式类脑神经元芯片当刺激信号是强度比较弱的连续脉冲信号时，信号会在记忆的时间内持续的产生叠加。当刺激信号是强度比较高的连续脉冲信号时，信号会在记忆时间结束前趋于平稳，不再继续叠加，即具有叠加饱和效应。在产生饱和效应的条件下，再提高刺激信号的强度，会使饱和现象提前出现。

在信息传输时，给作为光电探测器的一端加载偏置直流电压使其点亮，这时信息仍可以传输，器件处于另一种工作模式。在这种接收端开启状态的工作模式下，器件不会对信息进行存储，即记忆功能被解除，这时器件可以对信息进行无延时的迅速传输。

本发明首先模拟了神经细胞对单个刺激脉冲信号的记忆过程，如图2所示，类脑器件对刺激信号进行一定时间的记忆后衰减直至平稳。在此基础上，把刺激信号变为多个连续的脉冲信号，此时，信号会在记忆的时间内不断的叠加，如图3所示，这就模拟了人脑系统对信息的记忆或对外界事物的感知由弱及强的渐变过程。进一步的，把连续的脉冲刺激信号的幅度增强，会发现信息会在记忆时间结束前到达一个平稳的状态，不再叠加，即达到饱和。如图4所示，这模拟了人脑对于信息的记忆在一定条件下是有界限的，具有饱和效应。当在产生饱和效应的条件下再次增加脉冲信号的强度，会使饱和效应提前到达，并且饱和值略有提高。类似于人脑在短时间高强度的条件下会更快的达到更好的记忆效果。再进一步的，我们首次提出在信息传输时将作为光电探测器的一端加载偏置电压使其工作在点亮状态，这是信息会被无延时的传输过去，如图5所示。类似于人脑系统对有些信息选择记忆或者不记忆，所述器件也可以通过模式的切换选择是否对信息进行存储记忆。

本发明还提出一种上述基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片的制备方法，其工艺制作流程如下：

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p-gan台阶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p-gan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)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部分p-电极和n-电极的背后刻蚀窗口。

步骤(7)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(8)再沿着背后刻蚀窗口从下往上对外延缓冲层和n-gan层进行氮化物减薄刻蚀处理，完成背后减薄处理。

步骤(9)去除残留光刻胶ii，即得到一种基于光致晶体管的双模式类脑神经元芯片。

上述步骤(3)和步骤(8)中，刻蚀晶圆时所用刻蚀气体均为cl2和bcl3混合离子气体，流速分别为10sccm和25sccm。

深硅刻蚀过程时，先进行～38min的快速刻蚀，之后改为～15min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。

经试验发现，使用的光刻胶i优选为光刻胶5214，光刻胶ii优选为光刻胶4620。

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。