雙層結(jié)構(gòu)突觸仿生憶阻器的時(shí)空信息傳遞及穩(wěn)定性*

朱瑋 劉蘭 文常保 李杰

(長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院, 西安 710064)

現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以對(duì)多任務(wù)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理, 成為制約人工智能技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一, 而人腦的并行運(yùn)算方式具有高效率、低功耗和存算一體的特點(diǎn), 被視為打破傳統(tǒng)馮·諾依曼計(jì)算體系最具潛力的運(yùn)算體系.突觸仿生器件是指從硬件層面上實(shí)現(xiàn)人腦神經(jīng)擬態(tài)的器件, 它可以模擬腦神經(jīng)對(duì)信息的處理方式, 即“記憶”和“信息處理”過程在同一硬件上實(shí)現(xiàn), 這對(duì)于構(gòu)建新的運(yùn)算體系具有重要的意義.近年, 制備仿生突觸器件的憶阻材料已獲得進(jìn)展, 但多聚焦于神經(jīng)突觸功能的模擬, 對(duì)于時(shí)空信息感知和傳遞的關(guān)鍵研究較為缺乏.本文通過制備一種雙層結(jié)構(gòu)憶阻器, 實(shí)現(xiàn)了突觸仿生器件的基本功能包括雙脈沖易化和抑制、脈沖時(shí)間依賴突觸可塑性(spiking time dependent plasticity, STDP)和經(jīng)驗(yàn)式學(xué)習(xí)等, 還對(duì)器件的信息感知、傳遞特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)該器件脈沖測試結(jié)果滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理時(shí)空信息的基本要求, 這一結(jié)果可以為憶阻器在類腦芯片中的應(yīng)用提供參考.

1 引 言

類腦芯片是能實(shí)時(shí)模擬人類大腦處理信息的新一代智能芯片, 它可以為多任務(wù)執(zhí)行、大數(shù)據(jù)處理和智能人機(jī)交互等應(yīng)用技術(shù)提供強(qiáng)大的硬件支持.不同于現(xiàn)有集成芯片技術(shù), 類腦芯片主要是由數(shù)十萬個(gè)神經(jīng)突觸和神經(jīng)元仿生器件構(gòu)成, 這些器件可以從硬件層面上模擬人腦神經(jīng)突觸的信號(hào)處理方式, 從而構(gòu)建一個(gè)龐大的類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1?4].在現(xiàn)公布的類腦芯片技術(shù)中, 憶阻器是制備突觸仿生器件的重要成員之一, 其特征在于器件阻值能夠隨流經(jīng)電荷的變化而實(shí)時(shí)變化, 這一特點(diǎn)與神經(jīng)突觸的工作方式非常接近, 因此憶阻器模擬神經(jīng)突觸功能的研究成為近年來憶阻器的熱點(diǎn)問題[5?10].在諸多模擬神經(jīng)突觸功能的阻變材料中, 已知的材料包括高介電材料(SiO2, Al2O3和AlN等)制備憶阻器具有較好的電路穩(wěn)定性[11?13]; 過渡金屬氧化物(TiO2, ZnO2和VO2等)制備的憶阻器模擬神經(jīng)突觸功能最為相似[14?16]; 功能型材料(HfO2和In2O3等)還可用于人類視覺和感覺神經(jīng)系統(tǒng)的模擬[17,18]; 二維材料(MXene、石墨烯等)的開發(fā)可以為憶阻器的新應(yīng)用提供思路[19,20].其中鋁基薄膜作為常見高介電材料的一種, 具有制備簡單、成本低廉、能與現(xiàn)有CMOS技術(shù)融合、同時(shí)具有單極和雙極阻變特性、運(yùn)行功率低、耐高溫和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢, 因此鋁基薄膜突觸仿生憶阻器的研究在憶阻器應(yīng)用領(lǐng)域有特殊意義.單極和雙極阻變特性分別指器件的置位(set process)和復(fù)位(reset process)過程發(fā)生在相同和相反極性的電壓范圍內(nèi), 是由不同阻變機(jī)理引起的.憶阻器的阻變機(jī)理目前明確的有兩種機(jī)制, 一種是與材料內(nèi)導(dǎo)電絲的形成和斷裂有關(guān)[21,22]; 另一種是電極活躍離子在不同電場方向下遷移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果[23,24], 這兩種機(jī)制也有可能同時(shí)發(fā)生.從前期工作來看[25,26], 含有鋁納米顆粒的單層鋁基薄膜制備的憶阻器, 無論沉積銀或鋁材料作為頂電極, 均顯示單極阻變特性, 這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)含量高的鋁納米顆粒更易形成接近金屬特性的導(dǎo)電絲; 在含有鋁納米顆粒的鋁基薄膜上, 再沉積一層20 nm的Al2O3膜和200 nm銀電極制備雙層結(jié)構(gòu)憶阻器, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)鋁基薄膜憶阻器顯示出了與單層鋁基薄膜憶阻器的單極阻變特性不同的雙極阻變特性.在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中, 單極憶阻器具有穩(wěn)定的閾值電壓, 大多用來模擬帶有閾值電壓的神經(jīng)元, 在受到足夠強(qiáng)烈刺激時(shí)才會(huì)被激發(fā), 激發(fā)后會(huì)釋放頻率略低的脈沖波至下一神經(jīng)元; 而雙極憶阻器的阻變特性如果由離子遷移運(yùn)動(dòng)主導(dǎo), 則多用來模擬神經(jīng)突觸在不同時(shí)序脈沖刺激下權(quán)值的跟隨變化, 它能夠跟隨信號(hào)傳遞的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)調(diào)整突觸權(quán)值[27?30].若同一類材料能夠通過優(yōu)化制備工藝而同時(shí)擁有單極和雙極阻變特性, 即可同時(shí)制備神經(jīng)元和神經(jīng)突觸仿生器件, 這對(duì)于類腦芯片的制備和高度集成化有積極的研究意義.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看, 雙層結(jié)構(gòu)的憶阻器相比單層憶阻器多沉積了一層富含可遷移離子的緩沖層,能夠提升器件阻變特性的反應(yīng)效率, 形成更穩(wěn)定的神經(jīng)突觸特性.本文在前期工作基礎(chǔ)上, 對(duì)雙層結(jié)構(gòu)憶阻器的突觸仿生特性, 信號(hào)感知、傳遞及器件穩(wěn)定性展開了研究.

2 樣品與制備

實(shí)驗(yàn)主要利用射頻磁控濺射和離子束蒸發(fā)工藝在硅襯底上制備雙層結(jié)構(gòu)鋁基薄膜憶阻器.在用氫氟酸清洗后的p型硅襯底上用離子束蒸發(fā)法沉積500 nm厚度的Al作為底電極.在Al底電極上沉積nc-Al/AlN薄膜時(shí)采用99.99%純度鋁靶材,設(shè)定襯底溫度25為 ℃, 電源功率為150 W.濺射時(shí)通入的氬氣和氮?dú)饬髁勘葹?5∶1, 濺射氣壓保持在0.1 Pa, 濺射時(shí)間約為20 min, 濺射完成后將樣品立刻在氮?dú)庵羞M(jìn)行400 ℃高溫退火, 退火時(shí)間為2 min.退火后的AlN可生成直徑5—10 nm的鋁納米顆粒如圖1(a)中的插圖所示.第二層Al2O3薄膜制備同樣采用射頻磁控濺射工藝, 靶材選用99.99%純度Al2O3靶材, 電源功率設(shè)定200 W,濺射時(shí)僅通入氬氣, 并保持濺射氣壓0.1 Pa, 濺射時(shí)間為15 min.200 nm厚度的Ag采用離子束蒸發(fā)法進(jìn)行沉積, 利用掩膜板形成直徑為100 μm的圓形頂電極, 器件TEM測試如圖1(a)所示.雙層憶阻器Al/nc-Al AlN/Al2O3/Ag結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示, 頂電極活躍金屬銀在不同電場方向和強(qiáng)度下可以遷移進(jìn)入或退出Al2O3薄膜, 因此造成器件阻值可跟隨外界電壓而實(shí)時(shí)變化.含有鋁納米顆粒的AlN層作為緩沖層, 除可以提供更多的活躍離子外, 還可防止開態(tài)電流過大造成擊穿, 使器件獲得更為穩(wěn)定的突觸仿生特性.圖1(c)描述了神經(jīng)突觸的工作原理, 作為前后神經(jīng)元的連接點(diǎn), 神經(jīng)突觸的權(quán)值會(huì)隨外界刺激的變化而增強(qiáng)或減弱.較弱的突觸權(quán)值意味著前后神經(jīng)元處于無溝通狀態(tài), 此時(shí)神經(jīng)突觸內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流稱為抑制性突觸后電流(inhibitory post synaptic current, IPSC); 較強(qiáng)的突觸權(quán)值代表前后神經(jīng)元正處于信息傳遞狀態(tài), 此時(shí)神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的興奮性突觸后電流 (excitatory post synaptic current, EPSC)[31].若將憶阻器權(quán)值(G, 器件電導(dǎo)率)比作突觸權(quán)值,它在模擬神經(jīng)突觸功能時(shí)也應(yīng)具備隨外界電壓而變化的特點(diǎn).對(duì)突觸憶阻器做正負(fù)向各100次I-V掃描時(shí)的結(jié)果如圖1(d)和圖1(e)所示, 正向電壓掃描會(huì)引起器件權(quán)值逐漸增大; 而負(fù)向電壓掃描會(huì)引起器件權(quán)值逐漸減小.這種權(quán)值隨電壓變化而逐步增加或減少的憶阻器, 才具備模擬神經(jīng)突觸功能的基本條件.

圖1 (a) 器件TEM圖; (b) 器件結(jié)構(gòu)圖; (c) 神經(jīng)突觸工作原理; (d) 連續(xù)100次正向電壓掃描測試; (e) 連續(xù)100次負(fù)向電壓掃描測試Fig.1.(a) TEM result of bi-layer memristor; (b) structure of memristor; (c) mechanisms of synapse working; (d) continued positive I-V biasing with 100 times; (e) continued negative I-V biasing with another 100 times.

3 結(jié)果與討論

3.1 短時(shí)程突觸可塑性

腦神經(jīng)大多以脈沖波的形式進(jìn)行信息傳遞, 只有當(dāng)前神經(jīng)元的信號(hào)到達(dá)一定強(qiáng)度才會(huì)引起神經(jīng)突觸感知并傳遞到下一神經(jīng)元, 強(qiáng)度較小的脈沖則視為噪聲信息.仿生憶阻器的脈沖測試如圖2所示, 當(dāng)輸入信號(hào)為一個(gè)幅值2 V、寬度1 ms的脈沖波時(shí), 器件內(nèi)EPSC約為0.42 μA, 若間隔5 ms再施加一次脈沖, 則會(huì)引起雙脈沖易化(paired-pulse facilitation, PPF)現(xiàn)象, 即第二個(gè)脈沖引起的EPSC要高于第一個(gè)脈沖達(dá)到0.73 μA.這種現(xiàn)象通常被認(rèn)為是第一個(gè)神經(jīng)刺激信號(hào)產(chǎn)生時(shí)人體細(xì)胞內(nèi)殘留的鈣離子會(huì)導(dǎo)致第二次神經(jīng)刺激信號(hào)時(shí)突觸小泡的額外釋放[9,32].應(yīng)用時(shí)可以設(shè)定只有超過閾值的EPSC才會(huì)形成有效輸出, 即信息才能從前神經(jīng)元通過神經(jīng)突觸傳遞至后神經(jīng)元, 這能夠排除信息傳遞中的干擾因素, 更貼近神經(jīng)系統(tǒng)的工作方式.若將兩個(gè)脈沖的間隔增加到350 ms, 器件內(nèi)可以探測到兩個(gè)幅值約為0.4 μA的EPSC, 但是沒有觀測到PPF現(xiàn)象, 無法形成有效輸出.這說明當(dāng)脈沖幅值固定時(shí), PPF現(xiàn)象更依賴脈沖頻率而發(fā)生, 頻率過低的脈沖信號(hào)也很難在器件內(nèi)引起強(qiáng)EPSC形成有效輸出.圖2(d)—圖2(f)施加了同樣的負(fù)向脈沖電壓, 器件顯示出雙脈沖抑制現(xiàn)象(paired-pulse depression, PPD).在生物學(xué)上PPD通常被認(rèn)為是具有電壓依賴性的鈣離子通道失活,或是由于積累在突觸前神經(jīng)元的神經(jīng)遞質(zhì)囊泡的暫時(shí)耗盡造成的.仿生憶阻器的PPF/PPD可通過控制正負(fù)脈沖電壓及頻率來實(shí)現(xiàn).易化比和抑制比指的是第一個(gè)脈沖產(chǎn)生的幅值A(chǔ)1和第二個(gè)脈沖幅值A(chǔ)2的關(guān)系通常與脈沖頻率有關(guān), 過大的脈沖間隔無法實(shí)現(xiàn)雙脈沖易化或抑制[31].

圖2 器件內(nèi)EPSC和IPSC的脈沖測 (a) 施加單個(gè)正向脈沖的EPSC; (b) 雙脈沖易化的EPSC; (c) 施加雙正向脈沖但間隔時(shí)間350 ms的EPSC; (d) 施加單個(gè)負(fù)向脈沖的IPSC; (e) 雙脈沖抑制的IPSC; (f) 施加雙負(fù)向脈沖但間隔時(shí)間350 ms的IPSCFig.2.Pulse voltage measurement of memristor: (a) EPSC with single positive pulse applied; (b) EPSC of PPF; (c) two positive pulses applied with 350 ms interval; (d) EPSC with single negative pulse applied; (e) IPSC of PPD; (f) two negative pulses applied with 350 ms interval.

在明確雙脈沖易化和抑制特性后, 將雙脈沖信號(hào)改為連續(xù)脈沖信號(hào)同時(shí)測試器件權(quán)值, 結(jié)果如圖3(a)—(c)所示.用器件權(quán)值可以更直觀地表達(dá)憶阻器工作狀態(tài).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 頻率為100 Hz連續(xù)的正向脈沖可以引起器件權(quán)值的增加, 這與之前圖1(d)連續(xù)正向電壓掃描使器件電導(dǎo)率增加的結(jié)果相符.若施加頻率100 Hz連續(xù)的負(fù)向脈沖, 會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)銀離子向相反方向遷移, 引起器件權(quán)值的減少.這與圖1(e)中連續(xù)負(fù)向電壓掃描降低器件權(quán)值的結(jié)果一致.當(dāng)連續(xù)施加頻率為2 Hz的正向脈沖時(shí), 器件權(quán)值依舊緩慢減少, 如圖3(c)所示.這是由于頻率較低的正向脈沖無法引起器件內(nèi)活躍離子的持續(xù)累積, 器件權(quán)值也會(huì)隨時(shí)間流逝而降低.因此只有持續(xù)施加高頻率的脈沖波, 才可獲得持續(xù)增強(qiáng)的器件權(quán)值.時(shí)空信息傳遞中核心的一部分, 即是對(duì)信號(hào)頻率的響應(yīng).相比與信號(hào)幅值,仿生憶阻器受信號(hào)頻率影響更為深遠(yuǎn), 這一特性也符合神經(jīng)系統(tǒng)傳遞時(shí)空信息的基本特性.

圖3 (a) 以100 Hz頻率施加幅值和寬度為2 V和5 ms的正向脈沖, 器件權(quán)值隨時(shí)間增加; (b) 以100 Hz頻率施加幅值和寬度為–2 V和5 ms的負(fù)向脈沖, 器件權(quán)值隨時(shí)間減小; (c) 以2 Hz頻率施加幅值和寬度為2 V和5 ms的正向脈沖, 器件權(quán)值也會(huì)隨時(shí)間減小Fig.3.(a) Device conductance increased with 100 Hz, 2 V in amplitude and 5 ms in width positive voltage pulse applied; (b) device conductance decreased with 100 Hz, -2 V in amplitude and 5 ms in width positive voltage pulse applied; (c) device conductance will decrease with 2 Hz, 2 V in amplitude and 5 ms in width positive voltage pulse applied.

3.2 長時(shí)程突觸可塑性

改變連續(xù)施加的脈沖電壓幅值、頻率和數(shù)量,會(huì)對(duì)器件權(quán)值的增加幅度產(chǎn)生不同的影響, 具體關(guān)系如圖4(a)和圖4(b)所示.固定脈沖間隔, 當(dāng)施加的脈沖數(shù)量增加時(shí)器件權(quán)值會(huì)相應(yīng)增加; 而固定施加脈沖的數(shù)量, 更小的脈沖間隔可以使器件權(quán)值急劇增加.若設(shè)定器件權(quán)值1為最大值, 器件達(dá)到最大權(quán)值所需的脈沖個(gè)數(shù)也與脈沖幅值和間隔有關(guān).脈沖間隔越小、幅值越大時(shí)器件達(dá)到最大權(quán)值所需的脈沖數(shù)量越少, 如圖4(b)所示.器件權(quán)值的減少也有對(duì)應(yīng)的特性, 即負(fù)向脈沖幅值和頻率的增加, 也會(huì)引起器件權(quán)值迅速降低.在明確器件的PPF和PPD特性后, 脈沖時(shí)間依賴突觸可塑性(spiking time dependent plasticity, STDP)機(jī)制也是神經(jīng)突觸的重要特性, 它是指當(dāng)前神經(jīng)元脈沖先于后神經(jīng)元發(fā)生時(shí), 突觸權(quán)值應(yīng)加強(qiáng); 當(dāng)后神經(jīng)元脈沖先于前神經(jīng)元發(fā)生時(shí), 突觸權(quán)值應(yīng)減小[33].將仿生憶阻器的上下電極視為接受前后神經(jīng)元信息的連接部分, 分別對(duì)兩極施加不同時(shí)序的脈沖信號(hào), 測量到器件STDP特性如圖4(c)所示.當(dāng)前神經(jīng)元信號(hào)先于后神經(jīng)元信號(hào)發(fā)生時(shí)器件權(quán)值增加(long term potentiation, LTP), 并且相隔時(shí)間越短增加幅度越大; 當(dāng)后神經(jīng)元信號(hào)先于前神經(jīng)元信號(hào)發(fā)生時(shí)器件權(quán)值減小(long term depression,LTD).權(quán)值的增加和減少應(yīng)符合指數(shù)函數(shù)分布.

圖4 (a) 器件權(quán)值與施加脈沖數(shù)量和脈沖間隔的關(guān)系;(b) 器件達(dá)到最大權(quán)值所需脈沖數(shù)量與脈沖電壓和間隔的關(guān)系; (c) STDP特性Fig.4.(a) The relationship of device conductance with pulse number and interval; (b) the pulse number needed to make device conductance maximized with different pulse voltage and interval; (c) STDP.

三脈沖STDP測試(triplet-STDP)在前后神經(jīng)元的兩個(gè)脈沖序列中加入了第三個(gè)脈沖[34,35], 可以更進(jìn)一步地確定器件權(quán)值在不同脈沖時(shí)序中的變化規(guī)律.圖5(a)列舉了兩種不同的脈沖時(shí)序, 以時(shí)間發(fā)生順序從右至左, 分別命名為后-前-后時(shí)序和前-后-前時(shí)序.在后-前-后時(shí)序中, 第一個(gè)后神經(jīng)元的脈沖①先于前神經(jīng)元脈沖②發(fā)生(t1< 0), 這屬于圖4(c)中提到的LTD過程, 初步判定器件權(quán)值應(yīng)降低; 緊接著第三個(gè)脈沖③來自后神經(jīng)元, 時(shí)序上它在上一個(gè)前神經(jīng)元脈沖②之后發(fā)生(t2> 0)屬于LTP過程, 器件權(quán)值反而應(yīng)增加.同理, 在前-后-前時(shí)序中, 第一個(gè)前神經(jīng)元脈沖先于后神經(jīng)元脈沖發(fā)生(t1> 0), 這屬于STDP中的LTP過程,因此器件權(quán)值先增加; 緊接著第三個(gè)脈沖來自前神經(jīng)元, 時(shí)序上它比后神經(jīng)元②較晚發(fā)生(t2< 0),屬于LTD過程, 此時(shí)器件權(quán)值反而減小.由此可見, 在三脈沖STDP時(shí)序中前后神經(jīng)元脈沖發(fā)生時(shí)間是相對(duì)的, t1和t2的取值共同影響了器件最終權(quán)值的增加或減少.若固定t1數(shù)值, t2的取值就會(huì)對(duì)器件最終權(quán)值產(chǎn)生影響, 即器件最終權(quán)值的增加或減少取決于第三個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔t2.為了驗(yàn)證這一特性, 在兩種時(shí)序中設(shè)定t1等于 ±50 ms, t2分別等于 ±10, ±20, ±30,±50, ±70, ±100, ±120, ±150和 ±200 ms, 測試的器件權(quán)值結(jié)果如圖5(b)所示.在前-后-前時(shí)序中即便器件在前兩個(gè)脈沖經(jīng)歷了LTP過程, 但如果前神經(jīng)元的第三個(gè)脈沖發(fā)生時(shí)間較快依舊可以引起器件權(quán)值的降低; 而在后-前-后時(shí)序中, 即便前兩個(gè)脈沖經(jīng)歷了LTD過程, 只要第三個(gè)后神經(jīng)元發(fā)生時(shí)間較早也可以引起器件最終權(quán)值的增加.由此推論, 在三脈沖STDP測試中如果t1時(shí)間固定,器件權(quán)值最終值更多取決于第三個(gè)脈沖發(fā)生的時(shí)間, 由此可見器件的權(quán)值變化也與信息發(fā)生先后有關(guān), 這符合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)空信息傳遞的基本特性.

圖5 (a) 后-前-后和前-后-前時(shí)序的神經(jīng)元信號(hào); (b) 三脈沖STDP器件權(quán)值的變化Fig.5.(a) Singal with post-pre-post and pre-post-pre sequence; (b) triplet-STDP.

3.3 遺忘特性

Ebbinghaus遺忘曲線是由德國心理學(xué)家艾賓浩斯在1885年提出的, 它描述了記憶與時(shí)間的關(guān)系[36]:

其中G0和Gt為器件權(quán)值, 對(duì)應(yīng)記憶的初始狀態(tài)和隨時(shí)間變化的狀態(tài); t為時(shí)間; τ為弛豫時(shí)間系數(shù);β應(yīng)在0和1之間變化.突觸仿生憶阻器的權(quán)值保持規(guī)律也應(yīng)符合Ebbinghaus遺忘曲線, 這是檢驗(yàn)器件穩(wěn)定性的重要依據(jù).如果沒有持續(xù)的強(qiáng)脈沖（高幅值和高頻率脈沖）施加, 器件權(quán)值會(huì)隨時(shí)間推移而減少, 正如人的記憶也會(huì)隨時(shí)間流逝而衰退一樣.另外, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)突觸仿生憶阻器的遺忘特性還與之前所受的脈沖刺激, 即感應(yīng)過程所受脈沖刺激的強(qiáng)弱相關(guān).分別對(duì)憶阻器施加幅值和寬度為1.2 V和5 ms的不同數(shù)量的脈沖電壓, 其遺忘曲線如圖6所示.對(duì)器件施加10個(gè)脈沖后立即停止并開始測試器件權(quán)值變化, 隨著時(shí)間流逝器件權(quán)值會(huì)從最初的最大值有一個(gè)明顯降低, 這意味著短時(shí)記憶的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)短暫, 當(dāng)測試時(shí)間達(dá)到60 s以上器件最終權(quán)值保持在0.24左右; 若增加脈沖數(shù)量至50, 100和200個(gè), 器件的遺忘曲線衰退趨勢明顯變緩.對(duì)四種情況的遺忘曲線進(jìn)行指數(shù)擬合, 對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間系數(shù)從施加10個(gè)脈沖的1.6 s逐漸增加到4.8, 11.1 和21.0 s, β=1, 器件最終權(quán)值也從0.24增加至0.7, 形成了更穩(wěn)定的長時(shí)記憶.由此可知, 當(dāng)脈沖幅值和寬度固定時(shí), 前期施加的脈沖刺激數(shù)量越多, 造成器件“遺忘”前的“記憶存儲(chǔ)”越高, 器件衰退過程越緩慢, 最終的權(quán)值保持也越高.

圖6 分別施加10個(gè)(a), 50個(gè)(b), 100個(gè)(c)和200個(gè)(d) 幅值為1.2 V、寬度為5 ms的脈沖電壓后器件權(quán)值隨時(shí)間減弱的特性Fig.6.The device conductance changed with time after applied (a) 10, (b) 50, (c) 100 and (d) 200 positive voltage pulses with the amplitude of 1.2 V and pulse width of 5 ms.

將器件最終權(quán)值、弛豫時(shí)間系數(shù)與脈沖數(shù)量、幅值的關(guān)系總結(jié)如圖7所示.當(dāng)脈沖電壓幅值和寬度固定時(shí), 施加越多的脈沖數(shù)量可以引起較高的最終權(quán)值和較長的弛豫時(shí)間如圖7(a)和圖7(b)所示, 這說明經(jīng)歷過長時(shí)間脈沖刺激的器件, 可以在長時(shí)間內(nèi)保持較高的器件權(quán)值, 這與人類經(jīng)歷了深刻學(xué)習(xí)也會(huì)保持較長記憶時(shí)間相符.若增加前期刺激的脈沖電壓幅值, 器件弛豫時(shí)間也會(huì)增長如圖7(c)所示.通過研究器件權(quán)值在達(dá)到最大值后隨時(shí)間流逝的測試, 可以更準(zhǔn)確地掌握器件遺忘機(jī)制, 確定所需的權(quán)值保持時(shí)間.

圖7 (a) 器件最終權(quán)值與施加脈沖數(shù)量的關(guān)系; (b) 器件弛豫時(shí)間與施加脈沖數(shù)量的關(guān)系; (c) 器件弛豫時(shí)間與施加脈沖電壓的關(guān)系Fig.7.(a) The relationship between device conductance and applied pulse number; (b) the relationship between device relaxation time and applied pulse number; (c) the relationship between device relaxation time and applied pulse voltage.

3.4 穩(wěn)定性

器件穩(wěn)定性的測試包括循環(huán)測試、耐久測試和高溫測試, 測試結(jié)果如圖8所示.在圖8(a)中施加幅值為2 V、寬度為5 ms的脈沖電壓, 第一次達(dá)到器件權(quán)值最大僅需要13個(gè)脈沖, 之后將器件靜置10 min開始第二次測試.發(fā)現(xiàn)第二次測試僅需要6個(gè)脈沖就可使器件權(quán)值達(dá)到最大值.依次循環(huán)施加脈沖發(fā)現(xiàn), 在第6次測試之初器件權(quán)值已經(jīng)保持在最大值附近, 這說明器件已接受足夠強(qiáng)烈的刺激形成穩(wěn)定“記憶”, 10 min時(shí)間不足以使器件權(quán)值發(fā)生明顯減弱.圖8(a)所示結(jié)果符合突觸仿生憶阻器的“經(jīng)驗(yàn)式學(xué)習(xí)”特性, 即器件在經(jīng)歷相同刺激時(shí), 下一次的學(xué)習(xí)時(shí)間要短于上一次的學(xué)習(xí)時(shí)間.器件耐久測試在室溫和50 ℃條件下進(jìn)行, 結(jié)果如圖8(b)所示.在施加1000次脈沖確保器件經(jīng)歷足夠強(qiáng)度刺激后, 將器件在室溫和50 ℃下靜置2 ×104s以上, 發(fā)現(xiàn)室溫時(shí)器件權(quán)值保持狀態(tài)良好,但50 ℃條件下器件權(quán)值有明顯下降, 可見溫度還是會(huì)對(duì)器件權(quán)值保持時(shí)間產(chǎn)生影響.設(shè)定器件權(quán)值下降30%的時(shí)間為器件能夠存儲(chǔ)記憶的保持時(shí)間, 并將測試溫度提高到175, 200, 225和250 ℃, 器件在高溫下的保持時(shí)間如圖8(c)所示.進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)在85 ℃時(shí)器件權(quán)值的保持時(shí)間大約為115.7 d.這一保持時(shí)間基本滿足電路設(shè)計(jì)要求, 但突觸仿生憶阻器的權(quán)值保持時(shí)間還應(yīng)視具體應(yīng)用而定.

圖8 (a) 循環(huán)測試; (b) 耐久測試; (c) 175, 200, 225和250 ℃高溫測試Fig.8.(a) Duration study; (b) retention study at room and 50 ℃ temperature; (c) device failure time at high temperature 175, 200,225 and 250 ℃.

4 結(jié) 論

本文制備了雙層結(jié)構(gòu)仿生憶阻器, 在實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸功能的基礎(chǔ)上, 還對(duì)憶阻器處理時(shí)空信息的感知和傳遞等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)脈沖頻率對(duì)器件權(quán)值產(chǎn)生的影響更大.在同時(shí)接受前后神經(jīng)元連續(xù)的脈沖序列傳遞時(shí), 器件應(yīng)遵循三脈沖STDP學(xué)習(xí)機(jī)制, 當(dāng)前兩個(gè)脈沖間隔固定時(shí), 權(quán)值最終值更多依賴于第三個(gè)脈沖發(fā)生的時(shí)間.另外, 器件權(quán)值隨時(shí)間減弱的特性應(yīng)符合Ebbinghaus遺忘機(jī)制, 當(dāng)受到強(qiáng)烈脈沖刺激后器件權(quán)值衰退較緩慢,其保持時(shí)間較長形成更穩(wěn)定的長時(shí)記憶.在經(jīng)過循環(huán)測試、耐久測試和高溫測試后發(fā)現(xiàn), 本文制備的雙層結(jié)構(gòu)仿生憶阻器具有較好的穩(wěn)定性, 滿足類腦芯片的電路設(shè)計(jì)要求.