一种光感存算一体单元的控制方法及应用与流程

本发明属于微纳电子学，具体涉及一种基于氧化物半导体的双晶体管型感存算一体单元及阵列。

背景技术：

1、随着人工智能的发展，图像信息的采集与处理在自动驾驶等诸多领域有着广泛的应用。传统的图像采集与处理系统一般由图像传感器、数据存储器以及数字图像处理单元等部分组成，各部分间通过总线交换数据。随着传感器分辨率的增加，系统中数据传输负载快速增长，带来极大的数据搬运功耗，系统处理效率面临瓶颈。在单元层面上，现有cmos图像传感器单元包含一个光电二极管与三至四个晶体管，结构复杂，面积开销大；在架构层面上，传统的图像采集与处理系统采用了图像传感器与处理器分离的架构，数据传输成为瓶颈，导致系统功耗大、效率低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于氧化物半导体的双晶体管型感存算一体单元的控制方法及应用。采用本发明可以实现传感、存储以及计算功能，可有效降低数据反复搬运造成的功耗，有望进一步提升边缘智能图像处理设备的能效。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种光感存算一体单元的控制方法，其步骤包括如下：

4、1)光感存算一体单元包括一个感光晶体管和一个读取晶体管，所述感光晶体管包括自下而上叠加的栅电极、栅介质和氧化物半导体，所述氧化物半导体的上方部分覆盖有源漏电极，氧化物半导体未被源漏电极覆盖的部分为感光晶体管的沟道，所述沟道接受来自外界的光强照射；所述氧化物半导体与栅介质之间的界面存在界面陷阱用以捕获电荷；所述读取晶体管为一场效应晶体管；

5、2)所述感光晶体管的源端与读取晶体管的栅端相连形成存储节点，感光晶体管的漏端和栅端分别与写位线和写字线相连，读取晶体管的漏端和源端分别与读字线和读位线相连；

6、3)复位操作：将所述光感存算一体单元的写字线与写位线上分别施加复位高电平与低电平，施加以复位高电平的写字线将擦除感光晶体管的界面陷阱捕获的空穴，并将写位线的低电平存储至所述存储节点；

7、4)传感操作：光感存算一体单元的写字线与写位线分别施加传感低电平与高电平，并持续一定时间；当外界没有光强时，所述感光晶体管阈值电压保持不变，感光晶体管处于关闭状态，存储节点保持为低电平；当外界光强照射至沟道时，所述感光晶体管阈值电压降低，感光晶体管开启，电流流过感光晶体管向存储节点进行充电，存储节点电压的高低反映外界照射至感光晶体管的光信号强弱；

8、5)存储操作：将所述光感存算一体单元的写字线施加以存储低电平，使所述感光晶体管处于关闭状态，以长时间地保持存储节点中的电压信息。

9、进一步，所述感光晶体管的栅电极与源漏电极材料为ti、tin、ta、tan、al、aln、w、cu、pt、mo、ni、ir、ru、ito或重掺杂多晶硅。

10、进一步，所述感光晶体管的栅介质材料由单层或多层复合材料薄膜组成，所述复合材料薄膜为sio2、al2o3、hfo2、ta2o5或zro2。

11、进一步，所述感光晶体管的氧化物半导体材料由单层或多层氧化物半导体材料薄膜组成，所述氧化物半导体材料薄膜为zno、igzo、iazo、itzo或ito。

12、进一步，所述感光晶体管的栅电极、栅介质、氧化物半导体与源漏电极的厚度范围为5nm-1000nm。

13、本发明同时提供了一种矩阵向量积的计算方法，其特征在于，将光信息转化为光感存算一体单元的存储节点的电压信息，所述光感存算一体单元相互连接构成阵列，阵列中同一行不同单元的读字线与写字线分别相连，同一列不同单元的读位线与写位线分别相连；对光感存算一体阵列中的光感存算一体单元进行控制，其中阵列进行矩阵向量积计算操作时，所有读位线电压接地，输入向量由读字线以电压的形式送入，矩阵由阵列中各光感存算一体单元的读取晶体管的电导值组成，以读位线上的电流表示矩阵向量积的计算结果。

14、采用本发明可以实现了在阵列中进行数据处理，减少了图像传感器与处理器之间的数据传输，降低系统功耗开销，提高系统处理效率，且光感存算一体阵列的面积开销小。

技术特征：

1.一种光感存算一体单元的控制方法，其特征在于，具体步骤包括如下：

2.如权利要求1所述的光感存算一体单元的控制方法，其特征在于，所述感光晶体管的栅电极与源漏电极材料为ti、tin、ta、tan、al、aln、w、cu、pt、mo、ni、ir、ru、ito或重掺杂多晶硅。

3.如权利要求1所述的光感存算一体单元的控制方法，其特征在于，所述感光晶体管的栅介质材料由单层或多层复合材料薄膜组成，所述复合材料薄膜为sio2、al2o3、hfo2、ta2o5或zro2。

4.如权利要求1所述的光感存算一体单元的控制方法，其特征在于，所述感光晶体管的氧化物半导体材料由单层或多层氧化物半导体材料薄膜组成，所述氧化物半导体材料薄膜为zno、igzo、iazo、itzo或ito。

5.如权利要求1所述的光感存算一体单元的控制方法，其特征在于，所述感光晶体管的栅电极、栅介质、氧化物半导体与源漏电极的厚度范围为5nm-1000nm。

6.一种矩阵向量积的计算方法，其特征在于，如权利要求1所述的光感存算一体单元的控制方法，将光信息转化为光感存算一体单元的存储节点的电压信息，所述光感存算一体单元相互连接构成阵列，阵列中同一行不同单元的读字线与写字线分别相连，同一列不同单元的读位线与写位线分别相连；阵列进行矩阵向量积计算操作时，所有读位线电压接地，输入向量由读字线以电压的形式送入，矩阵由阵列中各光感存算一体单元的读取晶体管的电导值组成，以读位线上的电流表示矩阵向量积的计算结果。

7.如权利要求6所述的矩阵向量积的计算方法，其特征在于，将阵列中所有光感存算一体单元的写字线施加复位高电平，所有位线施加低电平实现复位操作，将阵列中所有光感存算一体单元的写字线施加传感低电平，所有位线施加高电平实现传感操作，将阵列中所有光感存算一体单元的写字线施加存储低电平实现存储操作。

技术总结本发明公开了一种光感存算一体单元的控制方法及应用，属于微纳电子学技术领域，本发明感存算一体单元包括一个感光晶体管和一个读取晶体管，外界光强可照射至所述感光晶体管的沟道，并激发出电子空穴对，光激发产生的空穴在负栅压的作用下向栅介质漂移，并被界面陷阱捕获，可使感光晶体管的阈值电压负漂，将光学信息转变为电学信息，通过在栅电极施加正电压可擦除被陷阱捕获的空穴，在正栅压的驱动下，沟道中的电子将向栅介质漂移并与界面陷阱中的空穴复合，使感光晶体管的阈值电压恢复初值。采用本发明可以实现传感、存储以及计算功能，有效降低数据反复搬运造成的功耗，有望进一步提升边缘智能图像处理设备的能效。技术研发人员：王宗巍,张海粟,蔡一茂,鲍霖,王翠梅,黄如受保护的技术使用者：北京超弦存储器研究院技术研发日：技术公布日：2024/3/11