近年來,隨著摩爾定律即將到達極限,日益增長的大數據迫切需要研制新的計算架構。以構建類腦智能計算機為目標的硬件人工智能在未來大數據運算中具有能耗低,并行運算速度快的優(yōu)勢,因此近年來類腦計算得到了飛速發(fā)展。憶阻器作為理想的突觸模擬器在類腦計算領域具有重要的應用價值。并且,具有光電學習能力的憶阻突觸器件是構建高效類腦計算網絡的基本元件。本論文的研究工作基于以上需求展開:制備ZnO_(1-x)/AlO_y異質結人工突觸,并研究其光電性質;基于其固有的持久光電導(PPC)和易失性電阻轉變特性,模擬突觸的多種功能;實現器件長時間跨度的連續(xù)可調;并對低能耗的三端憶阻器進行探索。主要研究內容如下:ZnO具有良好的光電性質,利用磁控濺射技術制備出了ITO/ZnO_(1-x)/AlO_y/Al憶阻突觸器件。研究表明,器件表現出易失性電阻轉變行為,并且該器件對310 nm紫外光具有明顯的PPC效應。通過精確控制電和光脈沖參數(脈沖寬度/幅值/數目)實現了突觸的STP/LTP學習記憶規(guī)則和PPF規(guī)則;利用PPC效應和高阻易失特性,實現了光興奮和電抑制突觸行為�；贏l/ZnO/Pd/Ti/SiO_2/Si器件,通過精確控制電流-電壓掃描過程中限流值和激勵脈沖的幅值和施加方式,實現了電阻態(tài)從完全易失到半易失再到非易失的長時間跨度范圍的連續(xù)可調,可以在單個器件中實現多個具有不同時間特性的突觸可塑性模擬。三端憶阻器與傳統(tǒng)兩端憶阻器相比,其能耗更低。系統(tǒng)研究了源漏極的電極形狀、溝道層的長寬比以及阻擋層的材料和厚度等對Al/ZnO/SiO_2/p-Si三端憶阻器性能的影響規(guī)律,利用離子液體,成功降低了器件的工作電壓和漏電流;此器件表現出明顯的PPC效應和明暗電流比為10~3的光響應。本論文對ZnO基憶阻器的電阻轉變行為和光電性能進行了系統(tǒng)研究,并利用其光電特性對突觸功能進行了模擬,對具有光電學習能力的神經形態(tài)功能硬件開發(fā)有重要意義。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN60
【部分圖文】：

圖 1-1 （a）數字型和（b）模擬型憶阻器的 I-V 曲線Fig. 1-1 (a) Digital-type; (b) analog-type resistive switching.目前已有許多的物理機制或模型解釋電阻轉變行為，包括導電通道（或導電模型[21]、金屬陽離子遷移模型[22]、勢壘變化模型[23-24]等。這些模型之間并不的，有時兩個或兩個以上的模型會對同一個現象進行解釋。導電細絲模型：如圖 1-2 所示，此模型認為在由高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)時，器形成了具有類金屬特性的可以導電的細絲。而從低阻向高阻的轉變是由于導的斷裂。導電細絲模型是上世紀60年代提出的解釋電阻轉變開關效應的模型 等人使用導電原子力顯微鏡觀察到了導電細絲[21]。

圖 1-1 （a）數字型和（b）模擬型憶阻器的 I-V 曲線Fig. 1-1 (a) Digital-type; (b) analog-type resistive switching.目前已有許多的物理機制或模型解釋電阻轉變行為，包括導電通道（或導電）模型[21]、金屬陽離子遷移模型[22]、勢壘變化模型[23-24]等。這些模型之間并不立的，有時兩個或兩個以上的模型會對同一個現象進行解釋。導電細絲模型：如圖 1-2 所示，此模型認為在由高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)時，器部形成了具有類金屬特性的可以導電的細絲。而從低阻向高阻的轉變是由于導絲的斷裂。導電細絲模型是上世紀60年代提出的解釋電阻轉變開關效應的模型n 等人使用導電原子力顯微鏡觀察到了導電細絲[21]。

圖 1-3 導電細絲的 C-AFM 圖：（a）高阻狀態(tài)；（b）低阻狀態(tài)Fig. 1-3 C-AFM image of conductive filaments: (a) HRS; (b) LRS.金屬陽離子遷移模型：此模型常用于以活潑金屬作為電極的憶阻器件[22]。如 所示，在活潑金屬電極上施加正偏壓時，在電場作用下，活潑金屬發(fā)生氧化為金屬陽離子，并在電解質層中遷移至惰性電極。在惰性電極處，金屬陽離子還原為金屬原子，并在此積聚。隨著氧化還原反應進行，金屬原子不斷堆貫穿整個薄膜內部形成金屬導電細絲。當施加反向電壓時，相同的氧化還原會導致金屬絲斷裂。因此，基于金屬陽離子遷移模型的憶阻器通常表現雙極轉變行為。
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本文編號：2864217