近年來,隨著摩爾定律即將到達(dá)極限,日益增長的大數(shù)據(jù)迫切需要研制新的計算架構(gòu)。以構(gòu)建類腦智能計算機(jī)為目標(biāo)的硬件人工智能在未來大數(shù)據(jù)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(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。并且,具有光電學(xué)習(xí)能力的憶阻突觸器件是構(gòu)建高效類腦計算網(wǎng)絡(luò)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(zhì)結(jié)人工突觸,并研究其光電性質(zhì);基于其固有的持久光電導(dǎo)(PPC)和易失性電阻轉(zhuǎn)變特性,模擬突觸的多種功能;實現(xiàn)器件長時間跨度的連續(xù)可調(diào);并對低能耗的三端憶阻器進(jìn)行探索。主要研究內(nèi)容如下:ZnO具有良好的光電性質(zhì),利用磁控濺射技術(shù)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(xiàn)出易失性電阻轉(zhuǎn)變行為,并且該器件對310 nm紫外光具有明顯的PPC效應(yīng)。通過精確控制電和光脈沖參數(shù)(脈沖寬度/幅值/數(shù)目)實現(xiàn)了突觸的STP/LTP學(xué)習(xí)記憶規(guī)則和PPF規(guī)則;利用PPC效應(yīng)和高阻易失特性,實現(xiàn)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(xiàn)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(diào),可以在單個器件中實現(xiàn)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(xiàn)出明顯的PPC效應(yīng)和明暗電流比為10~3的光響應(yīng)。本論文對ZnO基憶阻器的電阻轉(zhuǎn)變行為和光電性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并利用其光電特性對突觸功能進(jìn)行了模擬,對具有光電學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)形態(tài)功能硬件開發(fā)有重要意義。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN60
【部分圖文】：

圖 1-1 （a）數(shù)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(jī)制或模型解釋電阻轉(zhuǎn)變行為，包括導(dǎo)電通道（或?qū)щ娔Ｐ蚚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(xiàn)象進(jìn)行解釋。導(dǎo)電細(xì)絲模型：如圖 1-2 所示，此模型認(rèn)為在由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)時，器形成了具有類金屬特性的可以導(dǎo)電的細(xì)絲。而從低阻向高阻的轉(zhuǎn)變是由于導(dǎo)的斷裂。導(dǎo)電細(xì)絲模型是上世紀(jì)60年代提出的解釋電阻轉(zhuǎn)變開關(guān)效應(yīng)的模型 等人使用導(dǎo)電原子力顯微鏡觀察到了導(dǎo)電細(xì)絲[21]。

圖 1-1 （a）數(shù)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(jī)制或模型解釋電阻轉(zhuǎn)變行為，包括導(dǎo)電通道（或?qū)щ姡┠Ｐ蚚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(xiàn)象進(jìn)行解釋。導(dǎo)電細(xì)絲模型：如圖 1-2 所示，此模型認(rèn)為在由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)時，器部形成了具有類金屬特性的可以導(dǎo)電的細(xì)絲。而從低阻向高阻的轉(zhuǎn)變是由于導(dǎo)絲的斷裂。導(dǎo)電細(xì)絲模型是上世紀(jì)60年代提出的解釋電阻轉(zhuǎn)變開關(guān)效應(yīng)的模型n 等人使用導(dǎo)電原子力顯微鏡觀察到了導(dǎo)電細(xì)絲[21]。

圖 1-3 導(dǎo)電細(xì)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(zhì)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(yīng)進(jìn)行，金屬原子不斷堆貫穿整個薄膜內(nèi)部形成金屬導(dǎo)電細(xì)絲。當(dāng)施加反向電壓時，相同的氧化還原會導(dǎo)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(xiàn)雙極轉(zhuǎn)變行為。
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本文編號：2864217