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忆阻器的离子迁移行为调控及其人工突触应用研究

忆阻器的离子迁移行为调控及其人工突触应用研究

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作者：鲜林燕兰州大学

学位级别：硕士

随着大数据和人工智能(AI)时代的到来,需要存储和处理的数据量快速增长。基于传统冯·诺依曼架构的数字计算机由于物理分离的存储和运算单元之间持续的数据传输导致大量时间和能量消耗,使得数字计算机日益接近其规模和技术极限。为了实... 详细信息

随着大数据和人工智能(AI)时代的到来,需要存储和处理的数据量快速增长。基于传统冯·诺依曼架构的数字计算机由于物理分离的存储和运算单元之间持续的数据传输导致大量时间和能量消耗,使得数字计算机日益接近其规模和技术极限。为了实现更高密度的存储和高效的计算,开发新的存储技术和计算系统变得越来越重要。电阻式随机存取存储器(RRAM),又称忆阻器,因其快速开关,高存储密度和非易失性成为了下一代内存应用和神经形态计算元件的最有潜力的候选者之一。基于导电桥机理的忆阻器(cbram)的开关机制涉及导电细丝的形成与破裂,难以实现其介质层中的金属离子迁移行为的精确调控,导致了cbram存在电导突变的问题。此外,由于受到金属原子高表面能以及其与介质层之间的高表面张力影响,失去外部电场束缚后,导电细丝极易断裂并缩聚形成金属团簇,使得cbram不具备保持性良好的多级电导态。上述因素极大地限制了cbram作为人工突触器件应用的潜力。基于以上分析,本论文的研究内容主要围绕引入铁电极化对形成导电细丝的金属离子的作用展开,期望极化场的引入大幅改进cbram基人工突触器件的权重精度。具体研究内容如下:(1)基于W/P(VDF-TrFE)-PMMA/Ag器件结构的cbram阻变性能及其人工突触应用研究。在本工作中,制备了一种掺杂有机铁电聚合物P(VDF-TrFE)的cbram。P(VDF-TrFE)具有自发极化特性,其铁电极化后产生的静电场可以对cbram介质层中金属离子的迁移行为进行调控,改善了cbram器件的电导突变问题。此外,由于导电细丝受到铁电极化电场的束缚而不易溶解断裂,改善了cbram的多级电导的保持性。因此,基于W/P(VDF-TrFE)-PMMA/Ag器件结构的cbram展现了高度线性和对称性的模拟电导更新,成功地模拟了生物突触可塑性,并且作为人工突触器件应用于神经网络训练后实现了分类和识别任务的高精确度,为未来可穿戴柔性电子系统的发展提供了有吸引力的方案。(2)基于W/BaTiO/TiO/Cu器件结构的cbram阻变性能及其人工突触应用研究。在本工作中,制备了一种BaTiO/TiO的双介质层结构的cbram。经过退火处理的BaTiO薄膜铁电极化后在BaTiO/TiO界面产生极化电荷,通过极化电荷对金属离子的吸引实现了对离子迁移行为的调控,改善了cbram的电导突变。去除外部电场后,导电细丝受到BaTiO层内极化电场的约束而不易溶解破裂,使得器件具有了优异保持性的多级电导。因此,基于W/BaTiO/TiO/Cu器件结构的cbram大幅提升了其电导态数量和权重精度,实现了生物突触高阶可塑性的模拟。在神经形态计算模拟中对文件类型、手写数字图片实现了高精度识别,为开发兼容CMOS工艺的忆阻器阵列提供了有力的候选者。

关键词：忆阻器 cbram 突触可塑性导电细丝神经形态计算

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基于准金属Sb的阻变存储器件研究及其人工突触应用

基于准金属Sb的阻变存储器件研究及其人工突触应用

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作者：张宇坤兰州大学

学位级别：硕士

面对大数据时代的来临,信息量呈指数式增长,急需更先进高效的信息处理系统和存储单元。目前采用的冯·诺依曼计算架构由于CPU与内存之间数据传输带宽影响造成冯·诺依曼瓶颈,这一差距在大数据时代越发明显,严重限制了信息处理速度和效... 详细信息

面对大数据时代的来临,信息量呈指数式增长,急需更先进高效的信息处理系统和存储单元。目前采用的冯·诺依曼计算架构由于CPU与内存之间数据传输带宽影响造成冯·诺依曼瓶颈,这一差距在大数据时代越发明显,严重限制了信息处理速度和效率的进一步提高。同时,存储系统中硅基存储器面临摩尔定律到达极限的严重限制,已无法满足大数据时代更高的存储需求。因此,研究新型的存储器和更高效的计算架构成为这一领域的关键。阻变存储,作为新型存储技术的代表,正成为解决这一问题的有力候选者。导电桥随机存储器(cbram),也称电化学金属化存储器(ECM),已广泛用于阻变存储和人工突触的实现。传统的以金属作为阳极材料的cbram虽然具有较高的扩展性和大的动态范围,但作为人工突触,金属导电细丝形成时的电导突变使得基于金属离子传输的cbram仅有有限的权重状态数量和低的线性度。另外,金属导电细丝的高电导极大增加了器件的功耗,这些问题严重限制了cbram器件作为人工突触的神经系统计算网络应用。准金属因其低的态密度或半导体性具有低的单原子电导,使其具有实现低功耗人工突触的潜力。基于此,本文主要研究内容如下:(1)准金属阳极cbram阻变性能研究。在神经形态计算中忆阻突触设备的实现受到有限数量的权重状态和功耗的阻碍。由于金属丝的随机形成,传统的以金属为阳极材料的忆阻器尤其受到设定电压和电阻状态的时间和空间变化的影响。在这里,我们报告了一种基于准金属Sb的cbram器件,它具有低工作电流、一致的置位电压、长保持时间和多级电阻状态等优点。此外,第一性原理计算和表征结果揭示了Sb的迁移。(2)准金属阳极cbram人工突触可塑性研究。突触可塑性被认为是人脑学习和记忆的基础,对突触可塑性的模拟有利于构建以忆阻器件为电子突触的神经网络用于神经形态计算。本章中对W/Al Sb/Si O/W人工突触器件进行了突触可塑性的模拟,发现其成功实现PPF、STP等突触可塑性基本特征,以及成功实现电导(突触权重)调节线性度较好的LTP、LTD行为,有效解决cbram基人工突触由于金属细丝导致的权重数量少及线性度差的问题。

关键词：阻变存储 cbram 准金属人工突触突触可塑性

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