光电计算单元和光电计算组件

本技术涉及到器件结构以及半导体工艺，具体地说，涉及一种能以较高光电转换效率实现光输入的光电计算单元，以及光电计算组件。

背景技术：

1、现有的电子计算机在原理上，根据半导体材料可以对特定的电信号进行传递、加减和倒相等特性，经过统和与集成，可以完成极其复杂的运算。这一计算，事实上已构成现代文明的一个重要基础。

2、传统的计算机大多采取冯诺依曼架构，然而，冯诺依曼架构存储单元和运算单元分立，在处理以神经网络算法为代表的一类算法时，因为网络的权值需要被反复调用，存储单元和运算单元的分立就导致了在数据传输上产生了极大的能量消耗，并且影响运算速度。同时，以神经网络算法、ct算法为代表的一系列算法中，需要大量运算矩阵向量乘法，而传统乘法器的规模动辄上万晶体管，这也极大的影响了传统计算在处理此类算法时的能效比和集成度。

3、为了克服这种限制，人们提出了存-算一体器件。典型的存算一体器件主要为rram(忆阻器)和flash(闪存)两类，rram可以在断电后较长时间内保存受其电输入端输入量影响的电阻值，然而rram并不支持标准cmos工艺生产，其器件的良率和均匀性都得不到保证，这在必须大量使用存-算一体器件组成网络才能加速的神经网络算法中，是不可接受的。而如果要使用flash作为存-算一体器件，就意味着单个浮栅管必须存储超过一位的数据，即多值存储，这对于只能使用擦除和编程两种方式改变阈值的传统flash是难以做到的。

4、光电计算单元(专利号：cn111208865a)作为一种典型的存算一体技术方案，具有一致性好，单器件存储位宽高，兼容标准cmos工艺等特点，在2018年公开的专利光电计算单元、光电计算阵列、光电计算方法(专利号：cn111208865a)中，提出了众多的光电计算单元具体实现方案以及基于该单元的计算装置及计算方法。光电计算单元、光电计算阵列、光电计算方法(专利号：cn111208865a)中所述的实现方案，因为可以实现单器件级别的高比特非易失存储，存储时间最高可以达到10年量级，存在较大的使用便捷性与计算能效优势，然而该方案因为必须将光电子驱使到电荷耦合层中进行存储，存在量子效率过低，权值数据写入时间较长的问题，该技术瓶颈为所述器件进一步发挥其功能的最大瓶颈之一。

技术实现思路

1、根据本实用新型的一个方面，提供一种光电计算单元，包括在衬底收集区上依次形成的、包括底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极的栅极区域，以及在同样衬底收集区上形成、且位于所述栅极区域相对两侧的源端和漏端，其特征在于，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。

2、本实用新型实施例提供的光电计算单元采用半导体材料的光电性能，用外界的输入光信号来调制半导体材料中所传输的电信号，以实现加法器、乘法器以及一些高级运算。并且，本装置可以实现高精度的存-算一体功能，单个器件即可以存储光输入端的光信号并在断光后长时间保存，且针对曝光效率这一指标进行了针对性优化，相对于传统方案可以实现更短的光数据写入时间。

3、其中，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域十分之一倍栅极长度或20nm。

4、其中，所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处分别具有缓变的浓度梯度，使在p型衬底收集区上制备的、n型源端和n型漏端到所述p型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度分别具有n+/n/n-/p-/p的浓度梯度分布；或者，使在n型衬底收集区上制备的、p型源端和p型漏端到n型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度分别具有p+/p/p-/n-/n的浓度梯度分布。

5、其中，所述栅极区域两侧的用于源端和漏端注入的绝缘的侧墙厚度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，所述侧墙用于所述光电计算单元的源漏注入工艺，并使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端与所述栅极区域竖直交叠。

6、其中，所述光电计算单元在制备过程中使用掩模版和光刻胶来定义所述源端和漏端的离子注入的位置，其中，覆盖在所述源端和/或漏端的光刻胶宽度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端区域与栅极区域竖直交叠。

7、其中，在源漏离子注入时使用两种不同的离子，使所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处具有缓变的浓度梯度。

8、其中，所述光电计算单元在制备过程中，在刻蚀控制栅极之后、淀积侧墙之前，注入一道与衬底收集区极性相反的掺杂层，导致所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处的掺杂浓度被稀释，形成相对于p型衬底收集区的n-/p-的浓度梯度，或相对于n型衬底收集区的p-/n-的浓度梯度，使所述光电计算单元在所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处分别具有缓变的浓度梯度。

9、其中，在所述衬底收集区耗尽区内部掺杂浓度为高掺杂浓度，耗尽区外部的掺杂呈现从低到高单调缓变的梯度结构，使得所述衬底收集区的耗尽区内部至耗尽区外部呈现出高-低-高的掺杂浓度变化。

10、根据本实用新型另一实施例，提供了一种光电计算组件，包括多个如上任一项所述的光电计算单元，多个所述光电计算单元被设置在至少一个平面上，通过布线来控制多个所述光电计算单元的工作。

11、其中，在由多个所述光电计算单元组成的阵列中行列选址对一个光电计算单元进行光输入时，非同列的光电单元的源端和漏端浮空。

12、本实用新型采用半导体材料的光电性能，设计了一种光电计算单元，并公开了由所述光电计算单元组成的多种加法器、乘法器和算法加速器。由此可见，本实用新型利用半导体材料的光电特性，以及传统光学领域已经普遍使用的技术在计算领域的扩展应用，提出了一种全新的光电计算单元，其可以实现高精度的存-算一体功能，单个器件既可以存储光输入端的光信号并在断光后长时间保存，并且可以实现单个器件即完成乘法运算，非常适合加速以神经网络算法为代表的一类需要“存储参数”的算法。

13、本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种光电计算单元，包括在衬底收集区上依次形成的、包括底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极的栅极区域，以及在同样衬底收集区上形成、且位于所述栅极区域相对两侧的源端和漏端，其特征在于，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。

2.如权利要求1所述的光电计算单元，其特征在于，

3.如权利要求1所述的光电计算单元，其特征在于，所述栅极区域两侧的用于源端和漏端注入的绝缘的侧墙厚度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，所述侧墙用于所述光电计算单元的源漏注入工艺，并使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端与所述栅极区域竖直交叠。

4.如权利要求1所述的光电计算单元，其特征在于，所述光电计算单元在制备过程中使用掩模版和光刻胶来定义所述源端和漏端的离子注入的位置，其中，覆盖在所述源端和/或漏端的光刻胶宽度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端区域与栅极区域竖直交叠。

5.一种光电计算组件，其特征在于，包括多个如权利要求1-4之一所述的光电计算单元，多个所述光电计算单元被设置在至少一个平面上，通过布线来控制多个所述光电计算单元的工作。

6.如权利要求5所述的光电计算组件，其特征在于，在由多个所述光电计算单元组成的阵列中行列选址对一个光电计算单元进行光输入时，非同列的光电单元的源端和漏端浮空。

技术总结
本技术公开了一种高光电转换效率的光电计算单元及光电计算组件。本技术所述的光电计算单元包括在衬底收集区上依次形成的、包括底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极的栅极区域，以及在同样衬底收集区上形成、且位于所述栅极区域相对两侧的源端和漏端，其特征在于，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。本技术所述的光电计算单元进行了大间距的源端和漏端设计，并使源端和漏端分别与栅极区域之间具有小梯度的离子掺杂浓度分布，使装置实现高水平的光输入效率。

技术研发人员：潘红兵,宋年华,李张南,王宇宣,卜晓峰,马浩文,赵文翔,何展,梁佳宝
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：20230906
技术公布日：2024/5/10