田婭暉 桑柳劍 過(guò)飛洋 朱莞楨

江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院 江西南昌 330098

人腦的基本單元是神經(jīng)元，神經(jīng)元的數(shù)量大約為1011個(gè)，每個(gè)神經(jīng)元與104個(gè)其他神經(jīng)元通過(guò)突觸進(jìn)行連接，人腦的重量約1.5千克，而功耗只有大約10W，這在結(jié)構(gòu)、尺寸和功耗上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了現(xiàn)在廣泛使用的計(jì)算機(jī)。因此，高效率、低耗能的類(lèi)腦計(jì)算技術(shù)成為人們追求的方向。類(lèi)腦計(jì)算模擬的是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要分成兩個(gè)方向：一個(gè)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從功能上通過(guò)算法編程模仿人腦；一個(gè)是神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算，直接從結(jié)構(gòu)層面去逼近大腦。目前，這兩個(gè)方向在硬件上都是采用傳統(tǒng)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件實(shí)現(xiàn)，由此構(gòu)建的人腦級(jí)別的仿神經(jīng)系統(tǒng)體積龐大而又非常耗能。特別是，考慮到神經(jīng)元之間龐大而復(fù)雜的連接，系統(tǒng)中突觸矩陣占據(jù)了大量體積。因此，一個(gè)緊湊型、節(jié)能型的人工電子突觸是實(shí)現(xiàn)人腦級(jí)別的神經(jīng)“擬態(tài)”系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

一、憶阻器的基本原理

憶阻器(Memristor)作為一種新型非易失性器件，由于具有信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算功能，非常適合做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的人工電子突觸，具有給微電子領(lǐng)域帶來(lái)強(qiáng)大變革的能力，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注[1]。它的概念最早是1971年華裔的科學(xué)家蔡少棠提出[2]，他在研究電荷(Q)、電流(I)、電壓(V)和磁通量(φ)之間的關(guān)系時(shí)推斷，在電阻、電容和電感器之外應(yīng)該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關(guān)系(如圖1所示)。這種組件的電阻會(huì)隨著通過(guò)的電流量而改變，即使電流停止，它的電阻仍然會(huì)停留在之前的數(shù)值，直到接受到反向電流它才會(huì)逐漸回到初始狀態(tài)。因?yàn)檫@樣的組件會(huì)“記住”之前的電流量，因此被稱(chēng)為憶阻器。但直到2008年，惠普公司的研究人員Dmitri B.S.等人在研究Pt/TiO2/TiO2-δ//Pt結(jié)構(gòu)器件(圖2)時(shí)才首次證明了憶阻器的存在并發(fā)表在“Nature”期刊上[3]。他們通過(guò)計(jì)算得到該器件在產(chǎn)生憶阻效應(yīng)的過(guò)程中高阻態(tài)(Rhigh)和低阻態(tài)(Rlow)的比值(Rhigh/Rlow)高達(dá)380。這種器件被定義為離子遷移型憶阻器，其數(shù)學(xué)模型可以表示為：

(1)

(2)

方程中的M(t)為憶阻器的總阻值，D表示器件的總厚度，I(t)是電流，W(t)是摻雜層的寬度(0

目前憶阻器國(guó)外商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入白熱化階段，美國(guó)密歇根大學(xué)的Sheridan P.M等人于2017年首次對(duì)憶阻器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了編碼，為憶阻器的信息存儲(chǔ)商業(yè)應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)，其工作發(fā)表在當(dāng)年的“NatureNanotechnology”期刊上[12]。此外，斯坦福大學(xué)Wong H S團(tuán)隊(duì)，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所Aono M團(tuán)隊(duì)先后制備出具有漸變特性的Al2O3、Ag2S憶阻器，并以此開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的憶阻器人工神經(jīng)突觸[13-14]。國(guó)內(nèi)憶阻器的研究和國(guó)際水平基本保持同步，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有許多高水平重要成果。比如，清華大學(xué)潘峰團(tuán)隊(duì)利用MEH-PPV/PEO-Li+聚合物/電解液雙層膜憶阻器實(shí)現(xiàn)了頻率依賴(lài)突觸可塑性(SRDP)；華中科技大學(xué)繆向水團(tuán)隊(duì)和郭新團(tuán)隊(duì)通過(guò)硫化物和WO3憶阻器實(shí)現(xiàn)了時(shí)間依賴(lài)突觸可塑性(STDP)。此外，清華大學(xué)施路平、北京大學(xué)康晉峰、東北師范大學(xué)王中強(qiáng)等團(tuán)隊(duì)也先后制備出具有突觸功能的氧化鐵、InGaZnO憶阻器[13]。

二、多鐵納米憶阻器的研究進(jìn)展

按照現(xiàn)在類(lèi)腦計(jì)算和人工智能的發(fā)展水平和速度，憶阻器只有獲得更高的效率才能在人工電子突觸的應(yīng)用中體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用在微型仿生器件以及類(lèi)人機(jī)器人中。而提高憶阻器效率的方法有：

(1)提高Rhigh/Rlow，以提高器件響應(yīng)的強(qiáng)度；

(2)能響應(yīng)多種信號(hào)；

(3)提高器件響應(yīng)速度；

(4)降低憶阻器的尺寸。

與此同時(shí)，多鐵性氧化物因?yàn)橥瑫r(shí)具有鐵電性、鐵磁性和鐵彈性等多個(gè)不同物理狀態(tài)，可以受到多種信號(hào)調(diào)控，在信息領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景[14]。因此，研究者試圖把多鐵性氧化物作為憶阻器的憶阻層，可以獲得更小的尺寸、更快的響應(yīng)速度，以及更高的Rhigh/Rlow。

首次(2013年)把多鐵材料引入憶阻器的是Hong S等人[15]，他們把Pt/BiFeO3/SrRuO3納米結(jié)構(gòu)做成憶阻器原型，在0.5V的讀取電壓下該器件的Rhigh/Rlow數(shù)值高達(dá)753，遠(yuǎn)高于其他憶阻器[4-7]。該研究認(rèn)為中間層的BiFeO3(BFO)納米島陣列中存在著豐富的氧空位并假定其為n-型半導(dǎo)體，在極化作用下電極Pt、SrRuO3(SRO)與BFO的界面處的肖特基勢(shì)壘通過(guò)氧空位的擴(kuò)散、聚集效應(yīng)發(fā)生彎曲，產(chǎn)生類(lèi)似二極管的特性(如圖3)。隨后，又有研究者制備出Ag/多鐵納米線/Ti結(jié)構(gòu)的憶阻器[16-17]，比如CuO、BiCoO3和FeWO4納米線等。這些研究表明多鐵性氧化物可以很好地與憶阻器進(jìn)行結(jié)合。隨后，又有研究者在Ag/(BFO/γ-Fe2O3)/FTO的結(jié)構(gòu)器件中發(fā)現(xiàn)[18]，隨著外加磁場(chǎng)的增加,Rhigh和Rlow發(fā)生了較為明顯的變化，表明了磁場(chǎng)對(duì)憶阻器電阻具有調(diào)控作用。緊接著，西南大學(xué)李長(zhǎng)明團(tuán)隊(duì)在Ag/BiMnO3/Ti納米結(jié)構(gòu)中觀察到光照對(duì)憶阻器阻值具有調(diào)控作用[19]。盡管這些研究主要集中在憶阻器兩個(gè)穩(wěn)定阻態(tài)(Rhigh/Rlow)的研究，未深入研究外場(chǎng)中器件的學(xué)習(xí)記憶功能，特別是突觸可塑性，卻也表明應(yīng)力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)可以對(duì)憶阻器的勢(shì)壘和界面特性進(jìn)行調(diào)控，也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多鐵納米憶阻器的多場(chǎng)調(diào)控提供了重要的研究基礎(chǔ)。

三、多鐵納米憶阻器的存在的問(wèn)題

總結(jié)前人結(jié)果，作者認(rèn)為基于多鐵材料的憶阻器是最有前途的。最新研究也表明，多鐵納米憶阻器具有很大的應(yīng)用潛力，距離其實(shí)用化似乎只有一步之遙，但是還有許多科學(xué)問(wèn)題要解答：

(1)多鐵納米憶阻器的突觸可塑性機(jī)理還不夠明確，其突觸響應(yīng)強(qiáng)度還需要進(jìn)一步增強(qiáng)。采用金屬/多鐵/金屬納米結(jié)構(gòu)憶阻器實(shí)現(xiàn)這些突觸可塑性的困難，而且其中的微觀機(jī)理還不明確，需要進(jìn)一步闡明。

(2)在納米尺度下，器件將會(huì)出現(xiàn)較大的漏電流，需要進(jìn)一步降低漏電流。根據(jù)隧道結(jié)中的理論，隨著器件薄膜厚度的減小，穿透概率逐漸增加，這將阻礙器件的進(jìn)一步小型化。

(3)采用應(yīng)力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和光場(chǎng)等多場(chǎng)多鐵納米憶阻器的機(jī)理還不明確。比如，在光場(chǎng)和磁場(chǎng)調(diào)控過(guò)程不僅會(huì)導(dǎo)致Rhigh/Rlow的變化，而且預(yù)設(shè)電壓(Vset)和重設(shè)電壓(Vrest)也會(huì)發(fā)生變化。弄清楚憶阻器多場(chǎng)調(diào)控的機(jī)理，對(duì)憶阻器性能的調(diào)控將更具有針對(duì)性。

四、多鐵納米憶阻器未來(lái)展望

根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，多鐵納米結(jié)構(gòu)憶阻器仍然會(huì)是比較強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，特別是最近幾年又開(kāi)發(fā)了很多新的理論和應(yīng)用。針對(duì)本文中提到的問(wèn)題和今后的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)多鐵納米結(jié)構(gòu)憶阻器后續(xù)研究的展望主要有：從界面電荷濃度和勢(shì)壘演化兩個(gè)角度出發(fā)，研究不同納米結(jié)構(gòu)界面阻變機(jī)制和突觸可塑性的學(xué)習(xí)法則；探討多鐵納米結(jié)構(gòu)憶阻器在多場(chǎng)調(diào)控下憶阻弛豫行為、突觸權(quán)重變化的物理機(jī)制；尋找影響多鐵納米結(jié)構(gòu)憶阻器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的主要因素，建立適合的模型實(shí)現(xiàn)突觸可塑性。