1 上海理工大学光子芯片研究院，上海 200093
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
近年来，受生物神经系统结构和功能的启发，神经形态计算引起广泛兴趣。忆阻器可以通过其电荷或磁通量调节电导，与人脑突触作用机制相似，是神经形态计算最有前途的候选器件之一。提出一种基于飞秒激光加工氧化石墨烯基忆阻器的方法，通过调整器件两端扫描电压，实现了极性可控的电阻开关：低电压下，器件表现出单极性电阻开关特性，在150个循环扫描中呈现高度稳定性，且功耗仅有0.75 nW；高电压下，器件呈现双极性开关特性。伴随测试次数的增加，器件整体电导逐步增加，同时分别讨论了两种电压下器件的开关机制。
极性可控 激光加工 氧化石墨烯 忆阻器 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0323002
1 1.宁波工程学院 电子与信息工程学院, 宁波 315211
2 2.中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 宁波 315201
3 3.中国科学院 脑科学与智能技术卓越创新中心, 上海 200031
4 4.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100029
5 5.浙江大学 温州研究院, 温州 325006
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。
氧化物忆阻器 光电器件 人工突触 类脑神经形态计算 综述 oxide memristor optoelectronic device artificial synapse brain-inspired neuromorphic computing review
湖南师范大学物理与电子科学学院, 湖南长沙 410081
忆阻理论的提出极大地推进了混沌系统的发展, 丰富了混沌电路的动力学行为。运算放大器因其强大的信号处理能力, 成为忆阻器电路模型的重要组成部分。本文基于低功耗差分对构建了一种极简化的运算放大器, 该运算放大器将所需晶体管数目减少至 2个; 以此运算放大器为基础, 设计了新型二阶磁控忆阻器的模拟等效电路模型和硬件实验电路。结果表明: 激励信号频率增加, 斜“8”字形紧磁滞回线的旁瓣面积减小; 激励信号幅度增加, 斜“8”字形紧磁滞回线的旁瓣面积增加。电路仿真结果与硬件电路实验结果验证了新型磁控忆阻器模型的有效性与设计方法的正确性。
低功耗差分对 新型二阶磁控忆阻器简化模型 磁滞回线 low power differential pair simplified model of new second-order magnetron con hysteresis loop 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(10): 1271
基于FPGA的可重构性，提出了一种基于数字电路的二值忆阻器仿真器。与模拟电路忆阻器仿真器相比，所提出基于数字电路的忆阻器仿真器易于重新配置，与它所基于的数学模型表现出很好的匹配性，符合忆阻器仿真器所有要求的特点。实现了基于该仿真器的与门、或门、加法器及三人表决器。使用Altera Quartus II和ModelSim工具对仿真器功能和基于该仿真器实现的逻辑电路进行验证。给出所有设计电路的原理图、仿真结果和FPGA资源消耗。仿真结果表明，该二值忆阻器仿真器相比其他数字电路忆阻器仿真器具有更少的硬件资源消耗，更适合用于大规模忆阻器阵列研究。
忆阻器 数字电路仿真器 与门 或门 加法器 三人表决器 memristor digital circuit simulator and-gate or-gate adder three-person voter
1 浙江经济职业技术学院 汽车技术学院,杭州 310018
2 浙江理工大学 机械工程学院,杭州 310018
3 浙江大学 信息与电子工程学院,杭州 310027
设计并制备了一种基于忆阻器结构且具有可编程特性的Ge基光控晶体管，它由两个结构为Ni/Ge/GeOx/Al2O3∶HfO2/Pd的忆阻器背对背组成，共用阻变层GeOx/Al2O3∶HfO2、衬底Ge和底电极Ni，阻变层的设计是实现光控晶体管功能的关键。两个顶电极Pd作为光控晶体管源漏极，中间区域作为栅极接受外加光源的栅控。探究了Ge基忆阻器光电响应特性，并实现光控晶体管基于光源栅控的输出与转移特性。进一步地，探究了器件的物理机制并验证设计的科学性和可行性。该光控晶体管具有非易失性与标准CMOS工艺兼容性等优势，能有效简化器件制备工艺、降低制造成本，可为下一代光电芯片研发提供参考。
锗 忆阻器 光控晶体管 光电特性 器件物理 氧空位缺陷态 能带结构 非平衡载流子 Ge memristor phototransistor photoelectric characteristic device physics oxygen vacancy defect energy band structure non-equilibrium carriers
1 1.西南大学 人工智能学院, 重庆 400715
2 2.西南大学 类脑计算与智能控制重庆市重点实验室, 重庆 400715
模拟型阻变突触特性能够为神经形态计算提供高的计算精度并避免计算过程中带来的电导卡滞、跃变以及失效等问题。模拟生物突触在刺激脉冲下的行为, 能够更好地揭示电子器件的仿生特性机理并为高性能神经形态计算提供支撑。突触双脉冲易化是生物突触的重要特性, 反映了在外界刺激作用下的易化和适应性过程, 对揭示神经元的工作机制至关重要。为了构建突触双脉冲易化的模拟型忆阻器件, 本研究通过器件的能带结构设计及氧空位缺陷态的调控, 利用射频磁控溅射法制备了一种结构为Ag/FeOx/ITO的忆阻器。电学测试结果表明, 该器件具有优异的渐进递增的非线性阻变特性, 即模拟型阻变特性。在I-V循环扫描3000次范围内, 这种器件均表现出模拟型阻变特性, 可提供稳定的、可分离的16个电导状态, 且在104 s内维持良好, 说明这些电导状态是非易失性的, 这主要归功于电子在氧空位缺陷态中的捕获与去捕获以及在势垒间隧穿行为。但是, 在低电场强度情况下, 捕获的热电子有可能会跃迁出浅陷阱能级, 而呈现出易失性。根据这种器件的易失性和非易失性共存特性, 通过调制电压脉冲宽度、幅度, 器件能够表现出很好的突触双脉冲易化特性, 显示出该类型器件在神经形态计算中的潜力和优势。
忆阻器 氧化铁 缺陷态 突触双脉冲易化 memristor iron oxide defect state synaptic double pulse facilitation
1 1.北京理工大学 物理学院, 先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室, 北京 100081
2 2.北京理工大学 长三角研究院, 嘉兴 314019
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。
忆阻器 突触 神经元 神经形态计算 双介质层金属氧化物 综述 memristor synapse neuron neuromorphic computing double dielectric layer metal-oxide review
1 工业和信息化部电子第五研究所, 广州
2 西北工业大学 微电子学院, 西安
卤化物钙钛矿(ABX3)材料由于其离子迁移和电荷俘获效应, 在忆阻器材料中具有很强的应用潜力。Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95PbI2.55Br0.4由于生成能低、铅和碘原子之间结合强度弱, 碘离子很容易从钙钛矿晶格中丢失, 产生缺陷和不饱和的铅原子。太阳能电池领域研究表明, 通过引入碘三离子, 可以明显减少钙钛矿薄膜中的缺陷, 显著提高薄膜质量。因此通过向钙钛矿前驱体溶液中加入不同量的碘单质, 引入碘三离子来探究其对于由Cs0.05(FA0.85M A0.15)0.95PbI2.55Br0.4组成的钙钛矿忆阻器的影响。实验结果表明: 通过加入不同量的碘单质, 忆阻曲线出现了三种较为明显的变化: I-V曲线中电流呈现逐渐下降的趋势; 忆阻器SET与RESET的突变特性发生明显改变; 忆阻器开关比变化较大。通过研究引入碘三离子对钙钛矿忆阻器的影响, 为调节钙钛矿忆阻器电流与开关比, 以适用于不同应用领域, 同时为未来钙钛矿忆阻器忆阻性能的提高提供了方向。
忆阻器性能 卤化物钙钛矿 碘三离子 离子浓度 memristor performance halide perovskite triiodide ion ion concentration
1 中国电子科技南湖研究院, 浙江 嘉兴 314001
2 中国科学技术大学 先进技术研究院, 合肥 230000
忆阻器是一种新型的非易失性存储器,具有结构简单、功耗低、集成密度高、类突触性质等特点。忆阻器主要以交叉阵列的形式作为人工突触,被用于构造人工神经网络,然而,忆阻器的交叉阵列面临着潜在的通路漏电流问题,这阻碍了忆阻器的进一步应用。文章简要分析了忆阻器堆叠交叉阵列产生漏电流的原因,主要介绍了二极管-忆阻器、选通器-忆阻器、晶体管-忆阻器等多种抑制漏电流的方案,总结并展望了超大规模集成忆阻器的应用前景。
忆阻器 漏电流 memristor sneak current 1T1R 1T1R 1S1R 1S1R 1D1R 1D1R
