ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НЕЙРОМОРФНОЙ СИСТЕМЫ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ МЕМРИСТИВНЫХ СТРУКТУР

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НЕЙРОМОРФНОЙ СИСТЕМЫ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ МЕМРИСТИВНЫХ СТРУКТУР

Патент на полезную модель: RU245991U1 Дата публикации: 2026-09-15 Заявитель / патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (RU) Классификация: G06N3/067 H10B63/00 H10N70/20 G06N3/0675 H10B63/80 H10N70/25

Реферат [19] Полезная модель относится к области оптоэлектроники и нейроморфных вычислительных систем. Техническим результатом полезной модели является реализация широкополосной спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 200-600 нм на основе планарно-чередующегося расположения оптоэлектронных мемристивных структур, что обеспечивает масштабируемую интеграцию оптоэлектронных мемристивных структур в кроссбар массив для визуального восприятия и интеллектуальной обработки изображений в системах машинного зрения. Широкополосный элемент нейроморфной системы содержит кроссбар массив планарно-чередующихся оптоэлектронных мемристивных структур, состоящих из стеклянной подложки, покрытой прозрачным проводящим слоем ITO, образующим нижние электроды, на поверхности которой сформированы тонкие нанокристаллические пленки ZnO и Cu 2 O, являющиеся фоточувствительной мемристивной областью, к которой подходит верхний электрод на основе прозрачного проводящего слоя ITO. 3 ил.

Описание [1] Предполагаемая полезная модель относится к области оптоэлектроники и нейроморфных вычислительных систем, а именно - к кроссбар массивам на основе оптоэлектронных мемристивных структур, предназначенных для визуального восприятия и интеллектуальной обработки изображений в системах машинного зрения. [2] Известен аналог заявляемого объекта - полностью оптически управляемый мемристор на основе структуры Au/ZnO/Pt [Jing Yang, Lingxiang Hu, Liufeng Shen, Jingrui Wang, Peihong Cheng, Huanming Lu, Fei Zhuge, Zhizhen Ye. Optically driven intelligent computing with ZnO memristor // Fundamental Research, 2024, 4, 158-166]. Мемристор содержит поликристаллическую пленку оксида цинка (ZnO), осажденную магнетронным распылением, и электроды из золота (Au) и платины (Pt). Устройство демонстрирует возможность обратимого изменения мемристивной проводимости под действием только оптических сигналов, где зеленый свет является установкой (SET), а красный свет - сбросом (RESET), что позволяет реализовывать нейроморфные вычисления и булеву логику. [3] Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: наличие фоточувствительной активной области на основе пленки ZnO, использование метода магнетронного распыления для формирования пленки ZnO, способность к оптически управляемому переключению резистивных состояний и использование в системах искусственного (машинного) зрения. [4] Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование непрозрачных металлических электродов (Au, Pt), что ограничивает эффективность оптического управления и исключает возможность двустороннего освещения, а также наличие активной области на основе одного оксидного материала (ZnO), что не обеспечивает широкополосной спектральной чувствительности из-за отсутствия материала с комплементарной (взаимодополняющей) шириной запрещенной зоны, такой как у оксида меди (Cu 2 O). Кроме того, данная структура не интегрирована в кроссбар массив, что препятствует созданию масштабируемых массивов для обработки изображений. [5] Известен оптически управляемый мемристор на основе МДП-структуры ITO/ZrO 2 (Y)/Si с наноостровками Ge [Коряжкина М.Н., Филатов Д.О., Шенина М.Е., Антонов И.Н., Круглов А.В., Ершов А.В., Горшков А.П., Денисов С.А., Чалков В.Ю., Шенгуров В.Г. Оптически управляемый мемристор на основе МДП-структуры ITO/ZrO 2 (Y)/Si с наноостровками Ge // Патент РФ № 2803506 С1 от 14.09.2023 г.]. Устройство содержит кремниевую (n + -Si) подложку, буферный слой n-Si, наноостровки германия (Ge), функциональный (активный) слой диэлектрика оксида циркония (ZrO 2 (Y), 12 мол.% Y 2 O 3 ) и прозрачный верхний электрод ITO. Наноостровки Ge выступают в роли концентраторов электрического поля, а управление резистивным переключением осуществляется как электрическими импульсами, так и оптическим излучением, включая ближний инфракрасный диапазон длин волн (1,3-1,55 мкм). [6] Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: наличие прозрачного верхнего электрода ITO, обеспечивающего доступ оптического излучения к активной области, способность к оптическому управлению резистивными состояниями и потенциальная применимость в нейроморфных вычислительных системах и сенсорах изображения. [7] Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: сложная многослойная эпитаксиальная структура (Si с наноостровками Ge), требующая прецизионных методов роста (молекулярно-лучевая эпитаксия), что усложняет масштабирование и интеграцию в кроссбар массивы. Кроме того, чувствительность устройства ограничена подложкой Si и наноостровками Ge, что не обеспечивает широкополосной фоточувствительности в ультрафиолетовой и коротковолновой видимой области спектра, необходимой для визуального восприятия. [8] Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является оптоэлектронный мемристор на основе гетероструктуры ZnO/Cu 2 O [Chen Meng, Hongxin Liu, Tong Li, Jin Luo, Sijie Zhang. Optoelectronic Memristor Based on ZnO/Cu 2 O for Artificial Synapses and Visual System // Electronics, 2025, 14(12), 2490], содержащий структуру Ag/ZnO/Cu 2 O/FTO. Устройство содержит подложку с проводящим слоем FTO, выполняющим функцию нижнего электрода, осажденные методом магнетронного распыления слои оксида меди (Cu 2 O) и оксида цинка (ZnO), а также верхний электрод из серебра (Ag). Устройство демонстрирует резистивное переключение под действием электрических импульсов, а также синаптическую пластичность при модуляции оптическими сигналами с длинами волн 450 и 520 нм. [9] Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: наличие фоточувствительной области на основе ZnO и Cu 2 O, осаждение активных слоев методом магнетронного распыления, способность к оптическому управлению резистивными состояниями (имитация синаптической пластичности) и ориентация на применение в системах искусственного зрения и нейроморфных вычислительных системах. [10] Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие интеграции в кроссбар массив, что ограничивает масштабируемость системы, использование непрозрачного верхнего электрода (Ag), который экранирует падающее излучение, снижая эффективность оптического управления, и исключает возможность двустороннего доступа света к активной области, ограниченный спектральный диапазон чувствительности за счет наличия активной области в виде гетероструктуры ZnO/Cu 2 O, что затрудняет перекрытие ультрафиолетовой и коротковолновой видимой области спектра, необходимых для полноценного визуального восприятия. [11] Технический результат полезной модели - реализация широкополосной спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 200-600 нм на основе планарно-чередующегося расположения оптоэлектронных мемристивных структур, что обеспечивает масштабируемую интеграцию оптоэлектронных мемристивных структур в кроссбар массив для визуального восприятия и интеллектуальной обработки изображений в системах машинного зрения. [12] Для достижения технического результата в широкополосном элементе нейроморфной системы машинного зрения, включающем кроссбар массив планарно-чередующихся оптоэлектронных мемристивных структур, состоящих из стеклянной подложки, покрытой прозрачным проводящим слоем ITO, образующим нижние электроды кроссбар массива, на поверхности нижних электродов методами магнетронного распыления и литографии сформированы тонкие нанокристаллические пленки ZnO и Cu 2 O, образующие фоточувствительную мемристивную область на каждом перекрестии с верхними электродами кроссбар массива, при этом верхние электроды, образованные на основе прозрачного проводящего слоя ITO, сформированы поверх фоточувствительной мемристивной области. [13] На фиг. 1-3 приведено изображение широкополосного элемента нейроморфной системы на основе кроссбар массива оптоэлектронных мемристивных структур. [14] Широкополосный элемент нейроморфной системы на основе кроссбар массива (фиг. 1-3) включает в себя стеклянную подложку (1), покрытую прозрачным проводящим слоем ITO (2), образующим нижние электроды (столбцы) кроссбар массива, сформированные методами магнетронного распыления и литографии. На поверхности нижних электродов также методами магнетронного распыления и литографии сформированы тонкие нанокристаллические пленки ZnO (3) и Cu 2 O (4), образующие фоточувствительную мемристивную область на каждом перекрестии с верхними электродами (строки). Поверх фоточувствительной мемристивной области сформирован верхний электрод на основе прозрачного проводящего слоя ITO (5), образующий строки кроссбар массива. [15] Работает широкополосный элемент нейроморфной системы машинного зрения следующим образом. [16] При подаче напряжения смещения на выбранные столбец (нижний электрод ITO) и строку (верхний электрод ITO) и одновременном оптическом облучении кроссбар массива в широкополосном спектральном диапазоне длин волн 200-600 нм происходит поглощение света в фоточувствительной мемристивной (активной) области на основе планарно-чередующегося расположения нанокристаллических пленок ZnO и Cu 2 O. Ширина запрещенной зоны ZnO 3,2-3,3 эВ обеспечивает поглощение света в ультрафиолетовой области спектра (200-400 нм), а ширина запрещенной зоны Cu 2 O 2,1-2,2 эВ - в видимой области спектра (400-600 нм), что в совокупности формирует широкополосную спектральную чувствительность заявляемого устройства. Генерация электронно-дырочных пар под действием света модулирует концентрацию кислородных вакансий в пленках ZnO и Cu 2 O, что приводит к изменению резистивного состояния мемристивной структуры, т.е. к реализации эффекта оптически управляемого мемристора. Использование прозрачного проводящего слоя ITO в качестве верхнего и нижнего электродов обеспечивает эффективное прохождение света к фоточувствительной мемристивной области без экранирования. Ключевым отличием данной мемристивной структуры является замена металлических электродов на полностью прозрачные электроды ITO, что обеспечивает двусторонний доступ оптического излучения к активной области и максимальную фоточувствительность. Применение в качестве фоточувствительной мемристивной области планарно-чередующегося расположения нанокристаллических пленок ZnO и Cu 2 O с комплементарными ширинами запрещенных зон позволяет перекрыть широкий спектральный диапазон длин волн (200-600 нм). При этом планарное чередование пленок ZnO и Cu 2 O, сформированных методами магнетронного распыления и литографии на перекрестиях верхних и нижних электродов ITO, обеспечивает формирование масштабируемого кроссбар массива с высокой плотностью интеграции. [17] Использование полностью прозрачных электродов ITO в мемристивных структурах широкополосного элемента нейроморфной системы позволяет эффективно подавлять паразитные токи утечки за счет выпрямляющих свойств гетероперехода ITO/ZnO, что является особенно важным для масштабируемых кроссбар массивов. Широкополосная спектральная чувствительность в диапазоне длин волн 200-600 нм обеспечивает возможность визуального восприятия изображений в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, приближаясь по функциональности к биологическим системам зрения. [18] Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый широкополосный элемент нейроморфной системы на основе кроссбар массива с планарно-чередующимися оптоэлектронными мемристивными структурами на основе ZnO и Cu 2 O, а также полностью прозрачными электродами ITO позволяет обеспечить широкополосную спектральную чувствительность в диапазоне длин волн 200-600 нм и масштабируемую интеграцию для систем визуального восприятия и интеллектуальной обработки изображений.

Формула Широкополосный элемент нейроморфной системы, содержащий кроссбар массив планарно-чередующихся оптоэлектронных мемристивных структур, состоящих из стеклянной подложки, покрытой прозрачным проводящим слоем ITO, образующим нижние электроды кроссбар массива, на поверхности нижних электродов методами магнетронного распыления и литографии сформированы тонкие нанокристаллические пленки ZnO и Cu 2 O, образующие фоточувствительную мемристивную область на каждом перекрестии с верхними электродами кроссбар массива, при этом верхние электроды, образованные на основе прозрачного проводящего слоя ITO, сформированы поверх фоточувствительной мемристивной области.