神经形态忆阻器特性及光调控研究

【摘要】：近年来,人工智能(Artificial Intelligence,AI)的快速发展,对计算机速度和能耗提出了更加苛刻的要求。类脑神经计算以其自适应学习、高并行运算以及低功耗等优势,成为未来AI发展最有潜力的候选者。然而,能否制备出具备生物突触行为的神经形态突触器件成为了实现类脑神经计算的重中之重。忆阻器作为神经突触器件最有潜力的候选者之一,已经在模拟神经突触方面取得了巨大的进步。而人工智能的发展也需要具备对外界信息在快速,低功耗的前提下进行感知、记忆和处理的能力。对于人类而言,我们对外界信息的获取超70%是通过视觉神经系统。因此,模拟人类视觉系统对光信息的感知,已经成为人工智能的下一个重要的研究阶段。光电忆阻器具备纯电学忆阻器的优点之外,还具备电学调控难以实现的高宽带、低串扰、低功率和低延迟等优势。更重要的是它能够模拟视觉系统中最重要的视网膜结构。因此,在忆阻器的研究中增加光调控手段,能够有效地增加器件对信息的感知能力,能够实现无接触远程调控,大幅度拓展忆阻器应用场景。但是,无论是纯电调控忆阻器还是光电调控忆阻器的研究依然处于基础阶段,需要通过不同手段优化器件结构以达到器件性能的提升。本论文将从器件制备工艺调控、新型导电细丝探索、柔性高温并存和视觉仿生原型器件探索四个方面展开研究。论文主要内容如下:1.制备工艺调控:调控薄膜氧含量提高神经突触器件存储性能。a)SiO_2作为传统的半导体材料,在集成电路中具有广泛的应用。利用热氧化生长设备在p型高导硅上进行氧化生长,制备了SiO_2忆阻器器件。并对其进行电学性能的测试。该SiO_2忆阻器器件在经过电激活(Forming)过程后表现出了数字型忆阻器特性,即器件存在高阻和低阻两个电阻状态,能够在+3.5 V和-2.5 V外加电压下完成电阻的转换。器件的高阻态为10 ~6Ω,低阻态为10 ~4Ω,高阻态和低阻态的阻值比为100。通过施加5 V脉冲序列进行神经突触行为的测试,最终该器件表现出EPSC和IPSC两个重要的短期兴奋和抑制的神经突触行为。通过温度依赖特性测试结合数据分析给出了缺陷辅助隧穿(Trap-assisted tunneling,TAT)物理机制的分析。b)在基于SiO_2数字型忆阻器的研究基础之上,通过控制p型高导硅的快速退火条件,制备了缺氧型SiO_x忆阻器,该器件不需要进行电激活操作。在连续5次正向5V电压扫描中展示出了连续的电导变化,证明该器件属于模拟型忆阻器。并且该现象在常温、80℃和100℃下能够保持稳定状态。进一步通过施加不同的脉冲序列测试了器件的电导连续调控能力。证明该器件具备EPSC突触现象。经过数据分析得出不同脉冲序列下器件响应的的弛豫时间变化规律:随着电压的增大弛豫时间增大,随着脉宽的增大弛豫时间增大,随着间隔的增大弛豫时间减小。弛豫时间代表遗忘速率,弛豫时间越大代表遗忘的越慢,越小代表遗忘越快。最后根据基于SiO_x模拟型忆阻器行为,给出了器件的可变程跃迁(Variable-range hopping,VRH)和隧穿共同作用的物理机制模型。2.新型导电细丝探索:探索碳基导电细丝理论优化神经突触器件性能。首先,在云母衬底上沉积一层Pd底电极,然后使用湿法转移法转移8层石墨烯,再采用磁控溅射沉积Al N功能层,最终制备出TiN/Al N/Graphene/Pd(GD)和TiN/Al N/Pd(GLD)两种结构的忆阻器。通过对比两种器件的I-V曲线特性、开关电压均一性以及数据的保持能力,发现GD器件能够实现超过500个循环的开关次数,而GLD在60次中出现了几次RESET失效现象,二维材料石墨烯的加入使器件稳定性提高了8倍多。另外通过统计两种器件的开关电压,发现GD器件的开关电压比GLD器件的更加集中。在数据保持能力方面,GD器件能够实现200℃高温下10~4s的保持能力相比于GLD提升明显。结合器件温度依赖性、高分辨TEM,EELS以及第一原理计算进行对物理机制深度剖析,发现GD器件的导电细丝是由碳原子组成。该器件同时也具备神经突触学习行为,通过施加不同的脉冲序列,测试了相关的电导调控行为。本研究为首次实现基于碳导电细丝忆阻器的制备,为碳导电细丝的研究提供了有力证据。3.柔性高温并存探索:探寻PET替代衬底提高神经突触器件极限条件下适应能力。选用层状结构的云母作为衬底,通过机械剥离减薄至10μm,提高器件柔性的同时也增加了器件的光透过率,以及在柔性透明电子领域的应用潜力。采用磁控溅射系统在云母衬底上制备了基于Zr_(0.5)Hf_(0.5)O_2的忆阻器器件。通过对其极限性能下的测试可以发现:在高温稳定性方面,分别在20、80、140,300℃下测得器件的电流-电压(I-V)特性曲线,结果表明均能正常工作。在柔性稳定性方面,分别测试了器件在0、25、17.5、15 mm弯曲半径下的I-V曲线依然能够实现正常的开关特性。进一步测试了在15 mm半径下器件弯曲1000次的阻态稳定性,以及在300℃下进行100次的高低阻态转换的稳定性,证明器件能够在柔性和高温极限条件下保持稳定的开关性能。在神经突触行为方面,施加不同脉冲序列测试器件的响应特征。根据设计发送的脉冲间隔分别为1,3,10,50和100 ms,最终获得间隔小于50 ms时器件呈现出双脉异化特征(PPF),间隔大于50 ms时器件呈现出双脉冲抑制(PPD)。同时也测试了另一个与脉冲间隔相关的STDP神经突触学习行为。综合以上测试结果表明云母衬底提高了神经突触器件在柔性和高温极限条件下的适应能力。4.视觉仿生原型器件探索:探索具有光感知能力的光电忆阻器器件。采用磁控溅射工艺,制备TiN/CeO_x/ZnO/Pd/Mica结构的光电忆阻器器件,CeO_x薄膜在制备过程中存在缺陷,从而增加薄膜中的缺陷能级使其感光范围由紫外线扩展到可见光区域。对该器件施加波长为405 nm,光强度为分别0、1.4、2.8,5.5μW/cm~2的可见光,测试其I-V特性。发现该结构器件能够对405 nm光照进行响应,随着光强度的增加器件展示出了电导连续变化的模拟型忆阻器特征。在0.05 V读取电压下,连续施加12个光脉冲对器件进行刺激观察变化,随着光脉冲数的增加所测得的器件电流也再增加,展示出了神经突触电导连续可调特性。并且在不同光强度下器件电导变化强度也不同。最终利用实验所得数据,进行了4×4光电忆阻器阵列模拟视觉仿生系统。给出了相同脉冲数不同光强度刺激以及相同强度不同脉冲数下器件模拟神经突触对光信息的感知的权重变化对比,初步证明TiN/CeO_x/Zn O/Pd/Mica结构光电忆阻器器件能够作为在视觉仿生系统中对光信息进行感知、记忆和处理的人工视网膜。