CN109449289A - 一种光激励的神经突触仿生忆阻器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光激励的神经突触仿生忆阻器及其制备方法。该忆阻器包括顶电极、底电极，以及位于顶电极与底电极之间的铌掺杂钛酸锶单晶片；顶电极为透明导电的高功函数材料，底电极为低功函数金属材料；铌掺杂钛酸锶单晶片与底电极形成欧姆接触。在光激励下，该忆阻器的电导值呈现“学习、记忆”、“短时遗忘”以及基于过往记忆的“快速回忆”功能，因此能够很好地模拟神经突触的经验式学习行为。

Description

一种光激励的神经突触仿生忆阻器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光激励的神经突触仿生忆阻器及其制备方法，属于电子信息技术领域。
背景技术
近年来，在移动互联网、大数据、云计算等新型信息技术以及经济社会发展强烈需求的共同驱动下，人工智能飞速发展，已逐渐成为国际竞争新焦点、经济发展新引擎和社会建设新机遇。类脑计算芯片是人工智能发展的核心和关键，其通过模仿人脑工作原理，采用人工神经网络结构代替传统的冯·诺依曼计算机构型，从而实现异步、并行、高速和分布式信息处理，并具备自主感知、识别和学习的能力。本质上，人脑是一个错综复杂的神经网络，由约1011个神经元通过约1015个突触相互连接而构成。因此，新型高性能的神经突触仿生电子器件研发对类脑计算芯片构建和人工智能发展具有重要意义。
作为第四类基本电路元件，忆阻器首先由美国加州大学伯克利分校的Chua教授于1971年在理论上提出，一直到2008年才由美国惠普实验室的Strukov等人在实验上证实。通常，忆阻器为简单的“金属/绝缘体/金属”三层结构，其电导值可在外电场作用下发生连续且可逆变化。同时，忆阻器具有速度快、功耗低、非易失性、材料来源广泛、半导体工艺兼容等优势。研究表明，采用外电场作为激励信号，忆阻器可以很好地模拟神经突触功能，比如短时程可塑性、长时程可塑性、时序依赖可塑性、频率依赖可塑性、经验式学习行为等。因此，忆阻器已发展成为一种重要的神经突触仿生电子器件，相关研究备受瞩目。
众所周知，相比于电信号，光信号具有速度快、带宽高、功耗低、串扰小等潜在优势。因此，研发光激励的神经突触仿生忆阻器，可望大幅提升类脑计算芯片的整体性能，进而推进人工智能技术的飞速发展。
发明内容
本发明提供一种光激励的神经突触仿生忆阻器，包括顶电极、底电极，以及位于顶电极与底电极之间的铌掺杂钛酸锶(Nb:SrTiO3)单晶片；
所述顶电极为透明导电的高功函数材料，所述底电极为低功函数金属材料；
所述Nb:SrTiO3单晶片与顶电极形成肖特基接触，与底电极形成欧姆接触。
所述顶电极材料包括但不限于氧化铟锡(ITO)和石墨烯。
所述底电极材料包括但不限于钛(Ti)和铟(In)。
作为优选，所述Nb:SrTiO3单晶片的厚度为10微米～1000微米。
作为优选，所述Nb:SrTiO3单晶片中Nb掺杂浓度为0.3～0.7wt％。
本发明还提供了一种制备上述光激励的神经突触仿生忆阻器的方法，在Nb:SrTiO3单晶片的上下表面分别制备所述顶电极和底电极。
作为优选，所述Nb:SrTiO3单晶片的上表面应抛光至纳米级平整度。
在Nb:SrTiO3单晶片的上下表面分别制备所述顶电极和底电极的方法包括但不限于磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发和机械剥离转移。
所述顶电极的制备方法不限。当所述顶电极为ITO顶电极时，顶电极的制备方法包括但不限于磁控溅射和脉冲激光沉积。当所述顶电极为石墨烯顶电极时，顶电极的制备方法包括但不限于化学气相沉积和机械剥离转移。
所述底电极的制备方法不限。当所述底电极材料为Ti或/和In时，底电极的制备方法包括但不限于热蒸发、磁控溅射和电子束蒸发。
与现有的神经突触仿生电子器件相比，本发明的神经突触仿生忆阻器为“透明导电顶电极/Nb:SrTiO3单晶片/欧姆接触底电极”三层结构，属于光激励型。根据半导体能带理论，在高功函数的透明导电顶电极和本征电子导电型的Nb:SrTiO3单晶片之间可形成肖特基接触，其势垒主要决定了忆阻器的初始电导值。在光照作用下，被Nb:SrTiO3单晶片表面处晶格缺陷所俘获的电子可通过吸收光子而转变为自由电子，从而在Nb:SrTiO3单晶片表面处留下一层带正电的空间电荷，该空间电荷层可降低界面肖特基势垒的高度和/或减小其宽度，最终使得忆阻器的电导值逐渐升高，呈现出类似生物神经元的“学习、记忆”功能，并且光脉冲的频率越高，器件电导值升高幅度越明显，很好地模拟了神经突触的“频率依赖可塑性”；撤掉光照后，器件电导值逐渐降低并趋于稳定，该稳定值高于器件的初始电导值，从而呈现出类似生物神经元的“记忆可塑性”；当再次光照时，器件电导值达到前次光照结束时的电导值所需的光脉冲数量远小于前次光照所需的光脉冲数量，呈现出类似生物神经元的“快速回忆”功能。因此，该器件能够很好地模拟神经突触的经验式学习行为，实现光激励的神经突触仿生。
附图说明
图1是本发明光激励的神经突触仿生忆阻器的结构及测量电路示意图。
图2是本发明实施例1中忆阻器的基本光响应特性。
图3是本发明实施例1中忆阻器在光激励下的神经突触频率依赖可塑性的模拟结果。
图4a是本发明实施例1中忆阻器在第一次光照下呈现学习过程的电流-脉冲数特性曲线。
图4b是本发明实施例1中忆阻器在撤销光照后呈现遗忘过程的电流-时间特性曲线。
图4c是本发明实施例1中忆阻器在第二次光照下呈现回忆过程的电流-脉冲数特性曲线。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1中的附图标记为1-底电极，2-Nb:SrTiO3单晶片，3-顶电极。
实施例1：
本实施例中，光激励的神经突触仿生忆阻器的结构如图1所示，为底电极1、顶电极3、以及位于底电极1与顶电极3之间的Nb:SrTiO3单晶片2组成的三层结构。顶电极材料为透明导电的ITO，底电极材料为Ti。Nb:SrTiO3单晶片与顶电极形成肖特基接触，与底电极形成欧姆接触。Nb:SrTiO3单晶片的厚度为10～1000微米。
该忆阻器的制备方法如下：
(1)使用丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗单面抛光至纳米级平整度的商用Nb:SrTiO3单晶片，其晶体取向为<100>，Nb掺杂浓度为0.7wt％。
(2)采用脉冲激光沉积在Nb:SrTiO3单晶片的抛光面沉积ITO透明导电电极，脉冲激光的能量、频率和数目分布为75mJ、1Hz和1600，沉积气氛和温度分别为0.8Pa氧气和室温。
(3)采用直流磁控溅射在Nb:SrTiO3单晶片的未抛光面沉积Ti欧姆接触电极，沉积气氛、功率和温度分别为0.4Pa氩气、60W和室温。
如图1所示，利用半导体参数分析仪，在强度为30mW/cm2的蓝光照射下，对上述制得的忆阻器进行0.05V恒压测试，结果如图2所示，表明光照使得器件电导值自初始电导值逐渐升高，并且撤掉光照后器件电导值逐渐降低并趋于稳定，该稳定值高于器件的初始电导值，从而呈现出类似生物神经元的“记忆可塑性”。
图3显示该忆阻器在不同频率光照下的响应特性，可以看出，入射光脉冲的频率越高，器件电导值变化越明显，很好地模拟了神经突触的频率依赖可塑性。
图4a、图4b以及图4c显示该忆阻器在间隔为100s的两组相同频率的光脉冲下的响应特性。如图4a所示，忆阻器的初始电流值约为30nA，第一次施加100个光脉冲，忆阻器的电流值升高至68nA，呈现出“学习、记忆”功能；如图4b所示，撤掉光脉冲，忆阻器电流值逐渐降低，100s后稳定至61nA，从而呈现出“记忆可塑性”；如图4c所示，第二次施加相同频率的光脉冲，当施加7个光脉冲时，忆阻器的电流值即升高至68nA，呈现出基于过往记忆的“快速回忆”功能。
上述过程与神经突触的经验式学习行为：“学习、记忆”、“短时遗忘”以及基于过往记忆的“快速回忆”相一致，因此能够很好地模拟神经突触的经验式学习行为。
实施例2：
本实施例中，光激励的神经突触仿生忆阻器的结构与实施例1基本相同，所不同的是：底电极材料为In。
本实施例中，光激励的神经突触仿生忆阻器的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：底电极材料为In。
本实施例中，与实施例1相同，在光激励作用下，该忆阻器也能显示出神经突触的经验式学习行为：“学习、记忆”、“短时遗忘”以及基于过往记忆的“快速回忆”，因此能够很好地模拟神经突触的经验式学习行为。
实施例3：
本实施例中，光激励的神经突触仿生忆阻器的结构与实施例1基本相同，所不同的是：顶电极材料为石墨烯。
本实施例中，光激励的神经突触仿生忆阻器的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：顶电极材料为石墨烯，采用化学气相沉积在Nb:SrTiO3单晶片的抛光面沉积石墨烯透明导电电极。
本实施例中，与实施例1相同，在光激励作用下，该忆阻器也能显示出神经突触的经验式学习行为：“学习、记忆”、“短时遗忘”以及基于过往记忆的“快速回忆”，因此能够很好地模拟神经突触的经验式学习行为。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：包括顶电极、底电极，以及位于顶电极与底电极之间的铌掺杂钛酸锶单晶片；
所述顶电极为透明导电的高功函数材料，所述底电极为低功函数金属材料；
所述Nb:SrTiO3单晶片与顶电极形成肖特基接触，与底电极形成欧姆接触。
2.如权利要求1所述的光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：所述顶电极材料包括氧化铟锡和/或石墨烯。
3.如权利要求1所述的光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：所述底电极材料包括钛和/或铟。
4.如权利要求1所述的光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：所述铌掺杂钛酸锶单晶片的厚度为10微米～1000微米。
5.如权利要求1所述的光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：所述铌掺杂钛酸锶单晶片中铌掺杂浓度为0.3～0.7wt％。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：在光激励下，所述神经突触仿生忆阻器的电导值自初始电导值逐渐升高；撤销光激励，器件电导值逐渐降低并趋于稳定，该稳定值高于器件的初始电导值；再次光激励，所述神经突触仿生忆阻器的电导值达到前次光激励结束时的电导值所需的光脉冲数量小于前次光激励所需的光脉冲数量。
7.如权利要求6所述的光激励的神经突触仿生忆阻器，其特征是：在光激励下，光脉冲的频率越高，所述神经突触仿生忆阻器的电导值升高幅度越大。
8.如权利要求1至5中任一权利要求所述的光激励的神经突触仿生忆阻器的制备方法，其特征是：在铌掺杂钛酸锶单晶片的上下表面分别制备所述顶电极和底电极。
9.如权利要求8所述的光激励的神经突触仿生忆阻器的制备方法，其特征是：在铌掺杂钛酸锶单晶片的上下表面制备所述顶电极和底电极的方法包括磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、热蒸发、电子束蒸发和机械剥离转移。
10.如权利要求9所述的光激励的神经突触仿生忆阻器的制备方法，其特征是：所述顶电极材料为ITO时，顶电极的制备方法包括磁控溅射沉积和脉冲激光沉积；
所述顶电极材料为石墨烯时，顶电极的制备方法包括化学气相沉积和机械剥离转移；
所述底电极材料为Ti和In时，底电极的制备方法包括热蒸发、磁控溅射和电子束蒸发。
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