忆阻器的结构、功能及应用

忆阻器的结构、功能及应用

这种新型神经触碰检测装置具有独特的非线性电子属性，结构简单，集成度高，因此成为新神经触觉模拟装置的领域。忆阻器是除电阻器、电容器、电感器之外的第四种基本无源电子器件。蔡少棠(LeonOngChua)最早于1970年代在研究电荷、电流、电压和磁通量之间关系时推断出这种元件的存在,并指出它代表着电荷和磁通量之间的关联。忆阻器具有电阻的量纲,但有着不同于普通电阻的非线性电学性质。忆阻器的阻值会随着流经它的电荷量而发生改变,并且能够在断开电流时保持它的阻值状态。这种电流控制型忆阻系统阻值与施加电压及时间等满足一定的数学关系,然而具有这种数学关系和性质的是一种理想的器件,没能在单一的器件中被发现,所以忆阻器一直被认为是“丢失的器件”。在fpga器件及神经突变模拟中的应用为了证实忆阻器的可行性,蔡少棠曾经利用多个电阻、电容、电感及放大器做出了模拟忆阻器效果的电路。直到2008年,惠普公司在单一的器件中利用双层TiO2结构实现了忆阻器。在这种忆阻器中,电场作用下氧空位可以在两层TiO2间迁移进而改变器件整体的电阻。基于忆阻器的记忆特性,它在很多方面有着广泛的应用。最直接的应用是用于阻变式随机存储器(RRAM),电场能够诱导器件产生高低阻两种状态并能够使之进行相互转变。因其运行速度快、存储密度高、非挥发性等特性,被认为具有成为下一代存储器的潜力。惠普公司与SK海力士公司已经联合开发并预计2013年开发出以忆阻器为存储单位的阻变式随机存储器。另一方面是在智能型器件及神经突触仿真模拟研究领域的应用。按照忆阻器的理论模型,其阻值可以随施加电压而发生变化,并能够记住改变的状态。这与生物大脑中神经突触的原理有着很高的相似性,突触连接强度随信号刺激而发生变化,并保持变化的连接强度。生物系统记忆和学习功能是以精确控制通过神经元及突触的离子流为基础建立的。一方面突触能够动态地反应外界的电位刺激,并保持一系列连续的状态。另一方面,作为突触很重要的特点——可塑性,往往会产生一系列与空间和时间相关联的功能。正因为突触这些非线性及与时间关联等复杂的特征,导致在物理上难以对其进行精确模拟。所以利用忆阻系统实现神经突触功能将可能是一种简单有效的方式。在以前的文献报道中,需要用多个电子器件包括晶体管、电容等来实现单一突触的功能,然而这些构型仍未能完善解决复杂的神经网络问题。人类大脑中存在1012～1014个神经元细胞,以及1015个神经突触,所以传统的方法必然造成工艺的复杂化、能量耗散,并给大规模集成化带来难度。相比之下,忆阻器有着很简单的金属-绝缘层-金属(MIM)三明治结构,其电阻转变面积有可能达到纳米数量级。此外,忆阻器还能应用于逻辑运算、探测器等领域。si材料中的活性金属-氧中空混合器利用忆阻器模拟神经突触,最基本的依据是它具有类似神经突触传输特性的非线性电学性质。神经突触实际上可以看作是两端结构的器件,它具有独特的非线性传输特性。神经元之间的连接强度决定着传递的效率,它可以动态地通过刺激信号或抑制信号的训练而改变,并且保持连续变化的状态。忆阻器的电学性质通常分成两类,一类具有变化迥异的高低两种电阻状态,通过施加电压可以实现高低阻态之间的相互转变。这类主要用于存储器研究领域。另一类可以实现电阻缓变行为,器件存在多个中间阻态并可以在施加电压时实现从高(低)阻向低(高)阻的逐渐转变。在神经突触的模拟中,经常可以利用这两种现象。很多材料能用来实现忆阻行为,包括TiO2,Si:Ag,IGZO,WOx,Ag2S,Cu2S等忆阻器的物理运行机制主要分成两种,活性金属迁移和氧离子/氧空位迁移。日本的青野正和(MasakazuAono)小组提出在顶电极和Ag2S绝缘层之间构造一个纳米间隙层去实现仿生神经突触。电阻随间隙层中Ag的填充而逐渐变化,该变化过程即代表着“突触”从短时可塑性向长时可塑性的转变。利用这种活性金属的迁移电阻可以随施加电压或者脉冲不断地变化,从而实现忆阻器的非线性电学性质。该小组同样研究得出,在实际的忆阻器结构中,即使不构造间隙层,直接使用硫化物材料(Ag2S,Cu2S)作为电解质层同样可以实现类似的电学性质。卢伟等人提出在Si材料中制备富Ag层和缺Ag层,也可以实现器件的电阻可调性。富Ag层相比缺Ag层具有更高的导电性。两层薄膜之间存在着均一的导电前端(conductingfront)界面,导电前端会随着施加电压向富Ag层(缺Ag层)移动,从而导致富Ag层(缺Ag层)在整体器件中比例变小,进而增加(降低)导电性。以上是基于活性金属迁移的代表性工作。另一类忆阻器是利用氧离子或氧空位在氧化物材料中的迁移和扩散为运行机制。氧空位通常被认为在N型半导体中起到施主的作用,增加氧空位浓度会增加载流子浓度,也就是使半导体具有更高的导电性。具有代表性的工作是惠普公司提出的TiO2两层结构器件模型。双层结构器件中包括一半是正常状态的高阻TiO2(无掺杂)层,另一半是通过掺杂得到的低阻TiO2(掺杂)层,其中含有大量的氧空位。当在高阻TiO2层一侧施加正电压时,低阻层中的氧空位向另一侧迁移引起低阻层厚度增加(相应的高阻层厚度降低),从而降低总电阻。反之,总电阻将会增加。简言之,忆阻器类似于一个滑动变阻器,通过调节低阻层厚度控制总电阻的变化。利用此模型,在InGaZnO、TiO2等氧化物材料中能够得到忆阻行为。此外,卢伟小组利用单层的WOx薄膜也实现了忆阻行为,并提出其物理机制可能是以增加或减少薄膜层中的导电通道的数量来改变电阻。其中,导电通道指的是由许多氧空位连接在一起具有低电阻的通道,通常这些氧空位在电场作用下沿着薄膜晶界相互连接。当增加薄膜层中导电通道数目,也就是增加导电的面积,就可以导致电阻的降低。反之,电阻增加。总之,忆阻非线性电学行为是忆阻器研究必需深入了解的基本电学性质。然而,在应用于神经突触模拟时,得到这一基本性质还不能全面实现对突触学习功能的模拟,通过设计一些测试信号并得到一些高级的学习功能在突触模拟中非常重要。神经触觉功能的实现突前/突变后刺激的信号模拟神经突触一个重要的特征是突触的可塑性,是一种突触连接强度可调节的特性。因为记忆是大脑中大量突触之间的相互连接所表现出来的,突触可塑性被认为是学习和记忆的重要的神经化学基础。在生物中,电位刺激不仅能够加强或者弱化突触,也可以产生一系列与空间和时间相关联的功能。实现突触学习功能时,其中一个典型的特性是其能够符合赫布理论(Hebbiantheory)中的一种重要突触适应性规则,放电时间依赖的可塑性(spike-timing-dependent-plasticity,STDP),同时也是人工神经网络中模拟大脑功能时必要实现的。在STDP规则中,突触效率可以被存在时间关联的突触前/突触后刺激(pre-andpost-synapticspikes),通过STDP而发生改变。如果突触前刺激早于突触后刺激发生,突触效率将会增强从而导致长时程增强(long-termpotentiation,LTP)。反之,突触效率降低导致长时程抑制(long-termdepression,LTD)。同时,突触效率的改变与突触前/突触后刺激的相对时间(微秒数量级)有着很紧密的联系。当利用忆阻器实现STDP功能时,会将施加于顶电极和底电极的脉冲信号看作突触前刺激和突触后刺激,进而通过设计脉冲信号模拟STDP。脉冲信号的设计方式也存在两类,一类利用两个脉冲信号的电压叠加作用,另一类利用两个信号在时域上的相互作用。斯奈德(G.S.Snider)等人设计了一种信号,突触前刺激由一系列宽度逐渐变化的正脉冲信号组成,而突触后刺激则是宽度固定的负脉冲信号。当施加突触前和突触后刺激时,它们叠加得到的电压将会增大。设定此时叠加电压大于阈值电压,才会导致电阻的变化。随着调节突触前和突触后信号之间的相对时间,得到的总脉冲的宽度也会发生变化。这样就能够得到电阻(突触效率)随相对时间的指数关系,这就是STDP规则的数学表达式。利用突触前/突触后刺激信号叠加的设计在许多忆阻器件中都被提及。比如,卢伟等基于此设计在Ag/Si材料获得STDP学习规则。美国斯坦福大学库祖姆(D.Kuzum)等人在利用相变材料制备的忆阻器中,也利用电压叠加作用进行信号的设计并实现STDP功能。另一类信号设计是突触前刺激与突触后刺激在时域上的相互作用,其基础在于器件电阻对于脉冲频率的依赖性。频率依赖性同样是生物神经突触的一个重要特点,动作电位的刺激频率越高,引起突触强度变化越大。在一些忆阻器件的运行中,这样的频率依赖性同样可以得到。施加单一脉冲刺激后会在器件中产生电流的弛豫类似于突触中的兴奋性后电流(EPSC)。当两个相邻脉冲之间间隔很小时,前一脉冲引起的兴奋性后电流将会促进后面的脉冲刺激带来的影响,导致电阻变化速率随着间隔时间变化。在使用InGaZnO基的忆阻器时,笔者研究组利用忆阻器的频率依赖特性设计了一种信号。△t代表突触前刺激与突触后刺激的时间间隔,其间隔时间在-100毫秒到100毫秒之间变化。单一突触前/后刺激是由极性相反的一组脉冲组成,并在其间相隔5秒。这样的设计能够满足突触前刺激与突触后刺激是同一种信号,并且由于其间隔远大于微秒数量级而不带来其他的影响。当突触前刺激与突触后刺激的间隔时间△t变小时,频率依赖性就会诱导电阻或电流的变化增加。同时,定义突触后电流的相对变化(△I/I)为突触的可塑性。因此,突触可塑性与△t的关系可以被衰减指数很好地拟合,与生物中突触行为相类似。当突触前刺激比突触后刺激更早地施加时(△t<0),则出现LTP,反之则会出现LTD。在三端器件中,美国的陈勇小组同样采取了类似的信号设计。多次脉冲刺激的记忆过程在探索实现神经突触学习功能的过程中,除了STDP功能之外,一些研究组从记忆心理学角度提出了模拟神经突触学习功能的新方法。人类大脑中的记忆或者突触可塑性按照保留时间可以划分为短时和长时两种。短时可塑性(记忆)对应于突触受刺激后的短暂增强神经连接,持续时间一般被认为达到秒的数量级,例如对于一个不熟悉的电话号码,我们能够在短时间内记住。而长时可塑性(记忆)则是在短时记忆的基础上经过了反复训练和有意义的连接形成的永久性的记忆,对应于突触的连接,一般持续时间达到几天以上,如反复背诵才能长时间记住的单词等。长时/短时记忆同样能够在单一忆阻器件中获得。研究表明,在单一忆阻器件中,施加多次脉冲刺激会引起高阻向低阻的转变,也就是记忆量的增加。而撤去电压后,电阻会随时间由低阻值自发衰减为高阻值,可以看作记忆量的衰减。同时,电阻并不是衰减到初始阻值,而是达到一个中间阻值,这说明经过脉冲刺激后的记忆量包含着两部分:短时记忆和长时记忆。更进一步,当反复刺激忆阻器时,可以发现记忆保持量及相应短时记忆的衰减时间都随着刺激次数而增加,即实现了短时记忆向长时记忆的转变。以上的结果都进一步说明了忆阻器件能够实现对于类大脑记忆或神经突触可塑性功能的模拟。在物理机制上,如果是Ag在间隙层中的变化,如青野正和小组所言,长时记忆可以看作Ag对于间隙层填充完整,短时记忆可以看作Ag因未能完全填充间隙层而指向薄膜层的扩散,其驱动力为热扩散或表面能。该小组为了验证这一猜测,利用扫描隧道显微镜直接观察到了金属原子的迁移及扩散过程。如果利用的是氧离子/氧空位的迁移为机制的忆阻器,如卢伟小组和笔者小组所言,长时记忆可看作氧离子/氧空位的迁移引起的稳定的电阻变化,而短时记忆解释为电阻变化后氧离子/氧空位的扩散过程。笔者小组通过对不同温度下短时记忆的衰减过程进行研究,得到与氧扩散接近的扩散过程中的动力学常数,从而进一步证实氧扩散过程的存在。同时,利用忆阻器获得了一种符合人类认知规律“学习一忘记一再学习”的经验式学习模式。经过短时记忆衰减之后,可以看到再次进行刺激只需要少数的脉冲就可以使记忆量再次达到衰减前的量,而在第一次刺激时则需要几十次。器件行为表明有学习经验的记忆单元要比没有经验的更容易再次获得信息。这一过程与InGaZnO材料经历氧离子迁移和扩散后的状态有关。青野正和小组还利用忆阻器实现了艾宾豪斯记忆规律等心理学行为。完善的非条件刺激模型此外,一些忆阻器还可以实现非联合型学习和联合型学习。非联合型学习又称简单学习,不需要在刺激和反应之间存在明显的关系。而联合型记忆则需要在刺激与反应之间存在关联。比如巴甫洛夫著名的经典条件反射。实验中,当狗在吃食物时口中会自动分泌唾液。当狗在吃食物时伴随着铃声刺激,反复多次之后,即使狗不用吃食物,遇到铃声也会开始分泌唾液。这里食物作为非条件刺激(UCS),分泌唾液为非条件反射(UCR),铃声作为条件刺激(CS),最后只听到铃声分泌唾液作为条件反射(CR)。巴甫洛夫的实验表明原本不能产生反射的刺激(NS),由于它经常伴随能够出现非条件反射的刺激出现,多次反复,这种刺激也能够产生条件反射。齐格勒(M.Ziegler)等人在实验中以双极性电阻转变为基础实现了对巴甫洛夫狗的电子器件模拟。美国南卡罗莱纳大学珀欣(Yu