一种非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门、制备方法和应用

本发明涉及集成电路和处理器，具体涉及一种非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门、制备方法和应用。

背景技术：

1、过去几十年，为了应对爆炸式增长的信息数据，传统基于互补金属氧化物的逻辑运算器件的制程已经降低到了接近理论极限，进一步降低制程将会面临严重的量子隧穿和制造成本的大幅增加。因此，研究人员致力于设计和开发结构更简单、计算更高效的新型逻辑门，以代替传统晶体管逻辑门。其中，光电逻辑门因其快速、准确的数据处理能力受到了广泛的关注。目前，许多能够实现与(and)、或(or)、非(not)等基本逻辑运算的光电逻辑门已经被广泛报道，但是能够实现异或(xor)逻辑运算的光电逻辑门鲜有报道。在一些报道中，基于光电流极性反转特性构建了光电xor逻辑门。然而，此类光电xor逻辑门存在以下问题：(1)光电流对光电极尺寸高度敏感，在大规模集成应用中对器件的加工精度要求较高，导致制造成本高；(2)由于光电流极性发生反转，需要额外判断光电流的绝对值，增加了逻辑判断的复杂度[multifunctional optoelectronics via harnessing defects inlayered black phosphorus；tio2-based light-driven xor/inh logic gates]。

2、为了解决这些问题，研究人员基于随光强非单调变化的开路电位信号构建了无需额外判断绝对值的非尺寸敏感型光电xor逻辑门。但是这种光电xor逻辑门仍存在以下问题：(1)其基于光电化学原理构建，因此涉及到了电解液的使用，给光电逻辑门的集成应用带来了不便；(2)仅有极少数拥有开路电位随光强非单调变化特性的材料可用于构建该光电逻辑门[公开号：cn115612995a]。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门、制备方法和应用，解决现有技术中存在的光电逻辑门存在的对尺寸敏感特性、不能在单个器件上实现全功能并行逻辑运算和不易应用推广的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，其包括：光电化学器件，或/和，全固态器件，其中，

4、所述光电化学器件包括：

5、透明基底；

6、形成于所述透明基底的顶部的左侧透明导电薄膜层和右侧透明导电薄膜层；

7、形成于所述透明基底的底部右侧的遮光层；

8、形成于所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层上的光敏半导体薄膜层；

9、装配于所述光敏半导体薄膜层上的电解池并往所述电解池内注入电解液，所述电解池内设有对电极；

10、分别引出于所述左侧透明导电薄膜层、所述右侧透明导电薄膜层和所述对电极的第一导线、第二导线和第三导线；

11、所述全固态器件包括：

12、透明基底；

13、形成于所述透明基底的顶部的左侧透明导电薄膜层和右侧透明导电薄膜层；

14、形成于所述透明基底的底部右侧的遮光层；

15、形成于所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层上的光敏半导体薄膜层；

16、形成于所述光敏半导体薄膜层上的金属薄膜层；

17、分别引出于所述左侧透明导电薄膜层、所述右侧透明导电薄膜层和所述金属薄膜层的第一导线、第二导线和第三导线。

18、如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，进一步地，输出电信号有八种，其中，

19、所述第一导线和所述第三导线之间通过第一电位器实现电压输出为or/yes和nor/not的逻辑运算；

20、所述第二导线和所述第三导线之间通过第一电位器实现电压输出为and和nand的逻辑运算；

21、所述第一导线和所述第二导线之间通过第二电位器实现电压输出为xor和nxor的逻辑运算。

22、如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，进一步地，所述透明基底是玻璃、石英、天然云母片、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任一种。

23、如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，进一步地，透明导电薄膜层是氧化铟锡、氟掺杂的氧化锡、铝掺杂氧化锌中的任一种。

24、如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，进一步地，所述光敏半导体薄膜层具有光电响应特性，所述光敏半导体薄膜层是硅、锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅、氧化铋、氧化铁、铋酸铜、氧化铜、二氧化钛、钒酸铋、钒酸铜中的任一种。

25、如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，进一步地，所述遮光层能够阻挡部分光线的透过，通过调节所述遮光层的厚度以控制光线透过的比例。

26、如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门，进一步地，所述对电极是铂片、银-氯化银电极、甘汞电极中的任一种；所述金属薄膜层是铂、银、铜、钛、铬、铝、钨中的任一种。

27、第二方面，本发明提供一种如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门的制备方法，包括：光电化学器件的制备方法，或/和，全固态器件的制备方法；

28、所述光电化学器件的制备方法，包括步骤：

29、在所述透明基底的底部右侧沉积所述遮光层，所述遮光层的沉积厚度为10纳米到1000纳米；

30、在所述透明基底的顶部分别沉积所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层，所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层的沉积厚度为50纳米到2000纳米；

31、在所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层上构建沟道，所述沟道的宽度为0.1微米到100微米；

32、在所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层上沉积所述光敏半导体薄膜层，所述光敏半导体薄膜层厚度为10纳米到1000纳米；

33、在所述光敏半导体薄膜层的顶部装配所述电解池，注入所述电解液，插入所述对电极，分别从所述左侧透明导电薄膜层、所述右侧透明导电薄膜层和所述对电极引出第一导线、第二导线和第三导线；

34、所述全固态器件的制备方法，包括步骤：

35、在所述透明基底的底部右侧沉积所述遮光层，所述遮光层的沉积厚度为10纳米到1000纳米；

36、在所述透明基底的顶部分别沉积所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层，所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层的沉积厚度为50纳米到2000纳米；

37、在所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层上构建沟道，所述沟道的宽度为0.1微米到100微米；

38、在所述左侧透明导电薄膜层和所述右侧透明导电薄膜层上沉积所述光敏半导体薄膜，所述光敏半导体薄膜层厚度为10纳米到1000纳米；

39、在所述光敏半导体薄膜层上沉积所述金属薄膜层，所述金属薄膜层的厚度为10纳米到2000纳米；

40、分别从所述左侧透明导电薄膜层、所述右侧透明导电薄膜层和所述金属薄膜层引出第一导线、第二导线和第三导线。

41、第三方面，本发明提供一种如上所述的非尺寸敏感型全功能并行光电逻辑门的应用方法，用于实现并行逻辑运算，包括以下步骤：

42、通过编程控制输入a、输入b的开闭及光强，将输入a和输入b的开记为输入1，闭记为输入0；

43、通过输出电路检测输出电压信号的变化，预先设置阈值，将电压大于阈值判断为输出1，小于阈值判断为输出0；

44、将电位器开关闭合，并根据逻辑门输出特性调节电位器的电位，通过多个电压信号的同时输出；其中，第一导线和第三导线之间通过第一电位器实现电压输出为or/yes和nor/not的逻辑运算；第二导线和第三导线之间通过第一电位器实现电压输出为and和nand的逻辑运算；第一导线和第二导线之间通过第二电位器实现电压输出为xor和nxor的逻辑运算；

45、使用完毕后，将电位器开关断开。

46、如上所述的应用方法，进一步地，输入a和输入b为两个波长范围为280纳米到1060纳米，光强在0到300毫瓦每平方厘米范围内可调的激光器。

47、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

48、(1)本发明利用不同遮光条件下开路光电压信号变化趋势的不同，通过差分的方式获得了随光强非单调变化的差分信号，实现了xor逻辑运算。

49、(2)本发明通过巧妙的器件设计，在不改变光强、不改变阈值的情况下，在单一器件上实现了xor、nxor、and、nand、or、nor、yes和not全功能并行逻辑运算。

50、(3)本发明中提出的新型光电逻辑门输出信号与器件尺寸无关，因此对器件的加工精度的要求大幅降低，有利于低成本实现大规模集成。

51、总之，本发明提出的光电逻辑门具有并行运算和尺寸不敏感的特性，能够以更少的单元实现更加快速、精准的数据处理和运算，具有非常高的实用价值，有望在数据处理需求爆炸增长的信息时代发挥重要的作用。