氧化物双介质层忆阻器的设计及应用

忆阻器可以在单一器件上实现存储和计算功能,成为打破冯·诺依曼瓶颈的核心电子元器件之一。它凭借独特的易失性/非易失性电阻特性,可以很好地模拟大脑活动中的突触/神经元的功能。此外,基于金属氧化物的忆阻器与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,受到了广泛关注。近年来,研究提出了多种基于单介质层结构的金属氧化物忆阻器,但仍然存在高低阻态不稳定、开关电压波动大和循环耐久性差等问题。在此基础上,研究人员通过在金属氧化物忆阻器中引入双介质层成功优化了忆阻器的性能。本文首先详细介绍了氧化物双介质层忆阻器的优势,阐述了氧化物双介质层忆阻器的阻变机理和设计思路,并进一步介绍了氧化物双介质层忆阻器在神经形态计算中的应用。本文将为设计更高性能的氧化物双介质层忆阻器起到一定的启示作用。     

多阻态铁电HLO忆阻器及其在联想学习电路和人脸识别中的实现（英文）

随着摩尔定律接近物理极限,传统的冯诺依曼架构面临挑战.忆阻器在多层存储、神经形态系统和模拟电路中的应用具有克服冯诺依曼架构瓶颈的潜力.在这里,我们在硅衬底上生长了Pd/La:HfO₂(HLO)/La_2/3Sr_1/3MnO₃高性能忆阻器,其有利于与互补式氧化物半导体工艺兼容.该忆阻器器件表现出良好的循环稳定性和多级电阻状态存储能力以及器件的突触特性,如长时增强/抑制、短时记忆到长时记忆、尖峰时间依赖性可塑性和双脉冲促进.基于器件的类脑突触行为,在神经启发计算中识别人脸图像时,识别率高达91.11%.通过理论计算和硬件联想学习电路测试,基于铪基铁电忆阻器的生物联想学习行为得以实现.     

ZnO全光控忆阻器及其类突触行为

本研究基于ZnO制备了一种全光控忆阻器,短波光照射可增大器件电导,长波光则可降低电导,并且电导态可以长时间保持.因此,通过改变施加光信号的波长,可实现忆阻器电导的可逆调控.基于以上特性,该器件可以模拟突触基本功能,包括长程增强与长程抑制、光功率密度依赖可塑性、频率依赖可塑性以及学习-遗忘-再学习的经验学习行为.与电相比...     

等离子体处理对突触晶体管长程塑性的影响

作为神经形态计算系统的基本组成单元,人工突触器件在高性能并行计算、人工智能和自适应学习方面具有巨大的应用潜力。其中,电解质栅突触晶体管(Electrolyte-gated synaptic transistors, EGSTs)以其沟道电导的可控性成为下一代神经形态器件被广泛研究的对象,并用来模拟神经突触功能。EGSTs因双电层的快速自放电效应,导致其存在长程塑性持续时间较短和沟道电导不易调控等问题。本研究采用水诱导的In₂O₃薄膜作为沟道材料,以壳聚糖作为栅电解质材料,制备了基于In₂O₃的EGSTs,并对器件沟道层进行了氧等离子体处理。研究发现,利用氧等离子体中的活性氧自由基在沟道层表面产生陷阱态,使更多氢离子在电解质/沟道界面处被俘获,器件性能表现为回滞窗口增大,对EGSTs器件的长程塑性实现调控。基于双电层的静电耦合效应和电化学掺杂效应,本研究利用EGSTs器件模拟了神经突触的兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)、短程塑性(STP)和长程塑性(LTP)等突触行为。同时,基于该器...     

面向类脑计算的氧化物忆阻器

类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能,并具有优异的尺寸缩放性和低能耗,是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律,忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算,从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易,和CMOS工艺兼容性强,是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展,分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器,主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热,将严重影响器件稳定性,改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导,不仅能降低能耗,而且可避免产生微结构变化和焦耳热,从而有望解决稳定性难题。此外,光控忆阻器能直接感受光刺激,单器件即可实现感/存/算功能,可用于研发新型视觉传感器。因此,全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。     

基于电化学金属化机制的电子突触电导可控性研究进展

随着数据信息的爆炸性增长和微电子加工工艺逼近物理极限,互补金属氧化物半导体(CMOS)器件难以应用于大规模神经形态器件的构建。采用非CMOS器件实现突触可塑性模拟被认为是后摩尔时代构造人工神经网络的关键。在众多的非CMOS器件中,忆阻器具有电导可调、结构简单等优点,被认为是再现神经突触功能、实现计算存储一体化的基础元件。在众多类型的忆阻器中,基于电化学金属化机制(ECM)的忆阻器具有机理明确、可超高密度集成、对材料属性不敏感等优点,特别适合应用于电子突触的构建。但ECM电子突触存在着电导可控性不足的问题,制约着高性能神经形态器件的实现。国内外研究人员针对ECM电子突触的电导可控性展开了大量研究。本综述从器件结构和材料角度梳理了ECM电子突触电导可控性的优化方法。     

用于神经形态学计算的低能耗、高稳定性2D-3D钙钛矿忆阻器（英文）

近年来,有机-无机卤化物钙钛矿在忆阻器和人工突触器件等电子器件中的应用取得了快速进展.由于其离子迁移特性和制造上的优势,有机-无机卤化物钙钛矿有望成为下一代计算设备的候选材料.本文采用ITO/FA_1-yMA_yPbI_3-xCl_x/(PEA)₂PbI₄/Au的叠层结构,研究了2D-3D有机-无机杂化钙钛矿忆阻器.结果表明,这种新型忆阻器具有新颖的电阻开关特性,如扫描速率相关的电流开关特性、良好的电流-电压曲线重复性和超低能耗.利用p-i-n结模型证实了缺陷调制电子隧穿机制,并证明了忆阻器件的电导状态由电极侧附近钙钛矿薄膜中的缺陷浓度决定.除了良好的忆阻特性外,这种2D-3D钙钛矿型忆阻器还可以很好地用作人工突触,其内部缺陷运动可以真实地模拟生物突触中Ca²⁺的流入和挤出.此外,由于有机-无机卤化物钙钛矿中的可切换p-i-n结构,这种基于钙钛矿的人工突触具有超低功耗.我们的发现展示了2D-3D钙钛矿忆阻器在未来神经形态计算系统中的巨大应用潜...     

一步掩膜法制备ZnO纳米线忆阻器

本文基于单根ZnO纳米线(NW),采用一步掩膜的方法制备了Au/ZnO NW/Au忆阻器。器件表现出无极性忆阻行为,开关比可达10~5以上。低阻态具有半导体导电特性,推测忆阻行为可能来源于ZnO NW表面氧空位形成的不连续导电丝的通断。一步掩膜法工艺简单,制备过程对器件污染少,因此是制备纳米线器件的有效方法。     

TiO_2薄膜元件阻变机理的模拟研究

基于密度泛函理论采用第一性原理对Ti8O16、Ti8O15和Ti8O14三种晶体结构进行电子结构的模拟计算。通过模拟结果的分析推断氧空位的作用:氧空位含量较少时,起捕获电子的作用;氧空位含量较多时,起构成导电细丝的作用;可得出Ti O2阻变机理受导电细丝理论和空间电流限制电荷效应控制的推论。参考模拟计算的结果,通过选择不同的反应磁控溅射镀膜工艺,控制薄膜钛氧比进而改变氧空位含量,可获得低阻态受氧空位导电细丝控制的阻变介质层。采用反应磁控溅射法制备以Ti O2薄膜为阻变层的阻变元件并研究其阻变机理,需要大量的实验以优化镀膜工艺参数,而采用计算模拟的方法探讨阻变机理则可以节约材料和时间成本。     

基于ZnO忆阻器的神经突触仿生电子器件

本文采用ZnO忆阻器模拟了生物神经突触的记忆和学习功能。ZnO突触器件表现出典型的随时间指数衰减的突触后兴奋电流(EPSC),以及EPSC的双脉冲增强行为。在此基础上,实现了学习-遗忘-再学习的经验式学习行为,以及四种不同种类的电脉冲时刻依赖可塑性学习规则。ZnO突触器件实现了超低能耗操作,单次突触行为能耗最低为1.6pJ,表明其可以用来构筑未来的人工神经网络硬件系统,最终开发出与人脑结构类似的认知型计算机以及类人机器人。     

CuS/ZnS/ITO透明忆阻器的制备及其突触性能

忆阻器突触可用于构建神经形态系统,进行类脑计算,而透明突触器件则有利于光电协同调控.本研究首次采用CuS薄膜作为电极,构筑了CuS/ZnS/ITO透明忆阻器,器件表现出稳定的忆阻性能与良好的均一性,在可见光范围内透过率高达82％.通过与Cu制电极的器件比较,采用CuS制电极可以抑制Cu离子向ZnS介质层中大量迁移,有利...     

离子氧化物晶体管阵列多级痛觉敏化仿生研究

多级痛觉感知对于生物避免外界伤害刺激具有十分重要的意义。本工作以海藻酸钠生物聚合物作为离子耦合栅介质,成功制备了5×5无结痛觉感知晶体管阵列。该器件能够在低电压下(2 V)正常工作,且具有较大的电流开关比(>104)以及开态电流(>10μA)。这种器件不仅能模拟突触的重要功能,如兴奋性突触后电流、双脉冲易化、动态滤波等,而且还成功模拟了痛觉神经网络的多级空间感知敏化特性。构建该网络系统为下一代神经形态类脑系统应用提供了新的途径。     

二维忆阻材料及其阻变机理研究进展

二维材料由于具有超薄、柔性的层状结构,有望突破传统阻变材料难以降低忆阻器尺寸的限制,成为存储器、柔性电子、神经形态计算等领域的研究热点。本文从器件结构、材料种类、开关机理、电极和功能层改性等方面综述和分析了近年来二维材料基忆阻器的研究进展。“三明治”结构是忆阻器最常用的结构,通过插入调节层可提高器件稳定性;平面结构可操控性较差,但其独特的易观察性为研究忆阻器的阻变机理提供了有力工具。石墨烯及其衍生物和二硫化钼忆阻器阻变性能较好且应用广泛;二硫化钨、碲化钼、六方氮化硼、黑磷、MXene、二维钙钛矿等也逐渐被应用于忆阻器,但性能仍需优化。器件开关机制主要包括导电细丝、电荷俘获与释放、原子空位等。选择功函数合适的电极,可有效调控界面势垒和载流子输运;通过将二维材料与聚合物复合或掺杂纳米粒子,可有效降低器件的离散性。下一步应从界面性质精确控制和耐弯曲耐极端温度等方面深入研究,为新型二维材料忆阻器的工业化应用奠定基础。     

具有高度连续传导调制的记忆器件及其在电子突触应用中的基本物理机制

新兴的忆阻器可以用作模拟记忆和计算功能的人工突触.在这项工作中,受钽氧化物记忆特性的启发,我们设计了一种结构为TiN/Ta2O5-x/HfxZr1-xO2(x=0.5)/Pt(TTHZOP)的忆阻器.通过调整电压扫描的电压脉冲参数(即振幅、脉宽和数量),可以连续调节器件的电导.此外,对于正负两部分,扫描周期的电流-电压...     

基于CeO_(2-x)-TiO_(2)薄膜厚度的数模阻变转换机理EI北大核心

采用溶胶凝胶法和旋涂工艺在FTO衬底制备阻变层CeO_(2-x)-TiO_(2)薄膜,通过在CeO_(2-x)-TiO_(2)薄膜表面热蒸镀Al电极制备Al/CeO_(2-x)-TiO_(2)/FTO阻变器件,采用XRD和XPS表征CeO_(2-x)-TiO_(2)薄膜的晶相组成和晶体结构。结果表明:阻变层中主要由TiO_(2)和CeO_(2-x)组成。与Al/CeO_(2)/FTO器件相比,Al/CeO_(2-x)-TiO_(2)/FTO阻变器件的电学性能得到提升。I-V测试表明Al/CeO_(2-x)-TiO_(2)/FTO器件具有无初始化过程的双极性阻变特性。对不同CeO_(2-x)-TiO_(2)厚度下的阻变器件进行电学分析,研究表明Al/CeO_(2-x)-TiO_(2)/FTO器件在不同CeO_(2-x)-TiO_(2)膜厚下其低阻态呈欧姆导电机制。随着CeO_(2-x)-TiO_(2)厚度的增加,高阻态的阻变机制会发生本质变化,器件的阻变机制从氧空位导电细丝机制转变为缺陷对电荷的捕获/释放机制。研究发现Al/CeO_(2-x)-TiO_(2)界面处的AlO_(x)层是阻变机制转变的关键,AlO_(x)层的增厚使器件从“数字型”转变为“模拟型”。     

高均一性二维碲化钼忆阻器阵列及其神经形态计算应用

二维过渡金属硫化合物是构建纳米电子器件的理想材料, 基于该材料体系开发用于信息存储和神经形态计算的忆阻器, 受到了学术界的广泛关注。受制于低成品率和低均一性问题, 二维过渡金属硫化合物忆阻器阵列鲜见报道。本研究采用化学气相沉积得到厘米级二维碲化钼薄膜, 并通过湿法转移和剥离工艺制备得到碲化钼忆阻器件。该碲化钼器件表现出优异的保持性(保持时间>500 s)、快速的阻变(SET时间~60 ns, RESET时间~280 ns)和较好的循环寿命(阻变2000圈后仍可正常工作)。该器件具有高成品率(96%)、低阻变循环间差异性(SET过程为6.6%, RESET过程为5.2%)和低器件间差异性(SET过程为19.9%, RESET过程为15.6%)。本工作成功制备出基于MoTe₂的3×3忆阻器阵列。在此基础上, 将研制的MoTe₂器件用于手写体识别, 实现了91.3%的识别率。最后, 通过对MoTe₂器件高低阻态的电子输运机制进行拟合分析, 揭示了该器件阻变源于类金属导电细丝的通断过程。本项工作表明大尺寸二维过渡金属硫化合物在未来神经形态计算中具有巨大的应用潜力。     

明胶/羧化壳聚糖栅控氧化物神经形态晶体管

模仿大脑感知信息处理方式对于仿生智能感知系统的设计具有重要意义,而采用具有生物相容性和生物可降解特性的功能材料构建环境友好型神经形态器件是突触电子学研究的重要内容。本研究采用明胶/羧化壳聚糖(GEL/C-CS)复合电解质薄膜作为栅介质制作氧化物神经形态晶体管,模仿了不同湿度下的突触响应行为,包括兴奋性突触后电流和双脉冲易化。基于不同刺激数量下的突触塑性行为,提出了一种触觉对物体识别程度的量化处理方式。进一步搭建人工神经网络,实现了对MNIST手写数字的识别,识别精度达90%以上。这种GEL/C-CS栅控神经形态器件对仿生智能感知和脑启发神经形态系统的设计具有一定的参考价值。     

ZrO_2纳米粒子薄膜阻变特性研究

用水热法制备了ZrO_2纳米粒子,结构通过XRD表征,利用GaIn上电极对旋涂于ITO基底上薄膜进行伏安特性测试。结果表明,ZrO_2纳米粒子为微晶单斜相,随水热温度增加,结晶度增强。器件具有双极阻变特性,开关比随水热温度增加而减小,阈值电压则近乎线性增加。样品低阻态输运为欧姆特性,而高阻态符合空间电荷限制导电机制,阻变机理为氧空位导电细丝的形成与断裂。     

基于氧化物基电解质栅控晶体管突触的关联学习

电解质栅控晶体管(Electrolyte-gated transistors, EGTs)的沟道电导连续可调特性使其在构建神经形态计算系统中具有巨大应用潜力。本工作以非晶态Nb₂O₅作为沟道材料, Li_xSiO₂作为栅电解质材料,制备了一种具备低沟道电导(～120n S)的EGT器件。该器件利用Li⁺嵌入/脱出Nb₂O₅晶格导致的沟道电导连续可逆变化,模拟了神经突触的短程可塑性(Short-termplasticity,STP)、长程可塑性(Long-termplasticity,LTP)以及STP向LTP的转变等功能。基于这种EGT突触特性,本工作设计了关联学习电路,实现了突触权重的负反馈调节,并模拟了“巴普洛夫的狗”经典条件反射行为。这些结果展现出EGT作为神经突触器件的巨大潜力,为实现神经形态计算硬件提供了器件参考。     

缺陷对RRAM材料阻变机理的影响

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理和VASP仿真软件,分析了阻变随机存储器(RRAM)阻变效应的物理机制。对比计算了单斜晶相HfO2中Ag掺杂体系、氧空位缺陷体系和Ag及氧空位缺陷共掺杂复合缺陷体系的能带、态密度、分波电荷态密度面和形成能,结果表明在相同浓度下Ag掺杂体系能形成导电通道,而氧空位缺陷体系不能形成导电通道;共掺杂体系中其阻变机制以Ag传导为主,氧空位缺陷为辅,且其形成能变小,体系更加稳定。计算共掺杂体系的布居数和迁移势垒,得出在氧空位缺陷存在的前提下,Ag—O键长明显增加,Ag离子的迁移势垒变小,电化学性能增强。进一步计算了缺陷间的相互作用能,其值为负,表明缺陷间具有相互缔合作用,体系更加稳定。