一種神經(jīng)形態(tài)有機(jī)憶阻器件制備工藝優(yōu)化研究

陳鑫輝，劉子堅，王宇軒，余紅娟

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江金華 321007）

現(xiàn)階段，中央處理器（central processing unit，CPU）發(fā)展迅速，而存儲器發(fā)展減緩，使得CPU 和存儲器之間數(shù)據(jù)移動速度受限于存儲器，無法完全發(fā)揮計算機(jī)性能。憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路架構(gòu)能將處理和存儲功能融合、模擬神經(jīng)元和突觸實現(xiàn)人腦的信息處理方式和學(xué)習(xí)推斷功能。因此，研究具有高集成度、尺寸可縮性、仿生特性等特點的突觸器件[1]已成為主流趨勢，那么構(gòu)建高性能計算架構(gòu)也是未來發(fā)展的必然趨勢。

憶阻器作為非線性記憶電阻，不僅有著突觸功能，還擁有許多優(yōu)勢特性[2]，如憶阻器速寫速度快、低功耗、非易失性存儲和尺寸可縮性。目前在新型存算一體架構(gòu)和神經(jīng)形態(tài)計算等領(lǐng)域[3-4]呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景和潛力，學(xué)術(shù)界對突觸類器件的研究主要集中在憶阻器上。

傳統(tǒng)憶阻器具有較好的電學(xué)性能，但生物兼容性差。鑒此，本文以α，β-COTh-Ph-OMeTAD 有機(jī)物作為阻變層材料，通過不斷調(diào)整烘烤溫度、勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速、溶液濃度、襯底等實驗變量，確定制造工藝，擬制備具有生物兼容性好、穩(wěn)定阻變和良好線性度的憶阻器。

1 憶阻器機(jī)制原理

荷控型憶阻器由金屬和阻變層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)為金 屬— 阻 變 層— 金 屬（metal insulator metal，MIM）。憶阻器在電壓持續(xù)作用下，阻值會從低阻態(tài)連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)或從高阻態(tài)連續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)。憶阻器內(nèi)部可等價為摻雜區(qū)（阻值為Ron）和非摻雜區(qū)（阻值為Roff）兩部分，電流作用下，摻雜區(qū)域變大，使憶阻值M（t）變小，當(dāng)摻雜區(qū)最大時，憶阻值為低阻態(tài)；改變電流作用方向，非摻雜區(qū)域變大，憶阻值M（t）變大，當(dāng)非摻雜區(qū)最大時，憶阻值為高阻態(tài)。憶阻值在調(diào)控過程中撤去電壓后，具有阻值保持不變的特性，其在電流的作用下，伏安特性曲線可用式（1）表示：

其中，w（t）表示摻雜區(qū)長度函數(shù)。式（1）中摻雜區(qū)長度關(guān)于時間的函數(shù)如式（2）所示：

式（2）中，μv表示憶阻器的離子遷移速率，D表示器件長度。對式（2）進(jìn)行積分操作可得：

式（3）中，wo為摻雜區(qū)初始位置，q(t)表示電荷函數(shù)。對式（1）兩邊除以i(t)，將式（3）代入式（1）可得：

因為Ron?Roff，Ron/Roff≈0，且設(shè)w0=0，因此，將式（4）簡化為：

憶阻器作為兩端無源器件，突觸兩端可分別被映射為憶阻器件的兩個電極，施加在憶阻器上的脈沖可等效為神經(jīng)元刺激信號。用憶阻值來模擬突觸權(quán)重值，當(dāng)器件為低阻態(tài)時，突觸處于興奮狀態(tài)；當(dāng)器件為高阻態(tài)時，突觸處于抑制狀態(tài)。通過改變輸入脈沖的頻率和幅值來調(diào)控憶阻值，類似于用不同神經(jīng)刺激信號來調(diào)控突觸功能，結(jié)合憶阻值的非易失性，這種用電壓調(diào)控得到不同電導(dǎo)態(tài)的過程對應(yīng)生物學(xué)上的突觸可塑性。

2 工藝優(yōu)化

有機(jī)憶阻器常用制備工藝可分為五步。

第一步，切割基片：用切割刀在商用高阻硅片或氧化銦錫（ITO）上切割出1 cm×1 cm尺寸。

第二步，清洗基片。分別用工業(yè)乙醇和甲苯超聲清洗基片10 min，將基片上不易溶解雜質(zhì)去除，隨后用鑷子取出基片，并用去離子水沖洗，再用氮氣吹走基片表面液體。

第三步，底電極生長。在室溫下將清洗后的基片放入磁控濺射系統(tǒng)的樣品臺上，用機(jī)械泵對樣品腔抽氣，將原先腔內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓抽至腔內(nèi)壓強(qiáng)低于5×10-5Pa，再往腔內(nèi)通入純氬氣，并將磁控濺射系統(tǒng)的直流線連接樣品腔，調(diào)整電源功率至20 W，濺射10 min，生長金屬鉑底電極。

第四步，薄膜生長。將基片放置在勻膠機(jī)中心，打開機(jī)械泵使基片牢固吸住，設(shè)置勻膠機(jī)不同轉(zhuǎn)速及對應(yīng)時間，基片旋轉(zhuǎn)過程中通過移液器把阻變層溶液滴于基片中心，起初設(shè)置低轉(zhuǎn)速使溶液覆蓋整個基片，之后高轉(zhuǎn)速使溶液變均勻、變更薄，最終得到均勻分布的阻變層薄膜。

第五步，頂電極生長。在基片表面覆蓋定制機(jī)械掩膜板，放置在磁控鍍膜系統(tǒng)中的樣品臺上，用機(jī)械泵對樣品腔抽氣，將原先腔內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓抽至腔內(nèi)壓強(qiáng)低于5×10-5Pa，往樣品腔內(nèi)通入純氬氣，使樣品腔內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定在0.9 Pa～1.0 Pa，在室溫下用20 W的交流射頻，濺射Pt金屬靶材，沉積Pt薄膜（防止因功率過大，鉑濺射進(jìn)入薄膜中，影響器件性能）。

本文所提方案主要針對憶阻器阻變層進(jìn)行工藝改良。有機(jī)物α，β-COTh-Ph-OMeTAD為淡黃色粉狀固體，需用氯仿溶解形成5 mg/mL濃度溶液，經(jīng)勻膠機(jī)3000 r/s 恒速旋轉(zhuǎn)后形成薄膜，但該薄膜不夠堅硬，不利于后續(xù)電學(xué)測試，因此本文考慮采用烘烤箱160 ℃烘烤8 h，使器件阻變層硬化，如圖1所示，從而進(jìn)一步穩(wěn)定性能。

圖1 烘烤法優(yōu)化器件

制備的器件存在膜薄在電學(xué)測試時容易被擊穿的問題，由于金屬鉑表面氧基團(tuán)少，對溶液吸附力不夠，故降低烘烤溫度，更換為ITO 襯底，增加氧離子與阻變層的吸附，提高阻變過程中電阻比。實驗結(jié)果表明ITO 襯底旋涂形成薄膜均勻性更優(yōu)（圖2），但中間部分仍易出現(xiàn)薄膜較厚的情形。

圖2 ITO襯底與Pt襯底

最后，經(jīng)不斷實驗調(diào)整，改良后工藝為采用13 mg/mL 濃度，在ITO 襯底上旋涂，將襯底放置于勻膠機(jī)中間，并用真空泵吸附牢固，旋涂時轉(zhuǎn)速先到1 500 r/s，用移液槍滴溶液（減慢移液槍滴落速度），然后轉(zhuǎn)速到2 500 r/s 再到5 000 r/s，分別設(shè)定旋涂時間為5 s、10 s、45 s，旋涂后，用氯仿擦一條底電極，60 ℃烘烤8 h。圖3（a）為工藝改進(jìn)前旋涂薄膜，圖3（b）為工藝改進(jìn)后旋涂薄膜。

圖3 增大阻變層材料濃度

3 性能測試

憶阻器樣品制備完成后，需對其進(jìn)行一系列電學(xué)性能測試及物理結(jié)構(gòu)表征，其中涉及多個儀器設(shè)備。將樣品放置于黑色降噪箱包裝的低溫探針臺上（如圖4（a）所示），根據(jù)實驗需要，選擇指定針具連接樣品，然后用示波器（如圖4（b）所示）觀測施加波形，用半導(dǎo)體綜合參數(shù)分析儀（如圖4（c）所示）施加脈沖、直流電、掃描電壓等，測試樣品的循環(huán)性、耐受性、保持性、I-V曲線等基本電學(xué)性能。

圖4 器件測試與表征流程中相關(guān)儀器

設(shè)置正向掃描電壓為0 V～2 V，用半導(dǎo)體綜合測試儀測試不同電壓下的電流值，如圖5（a）所示；同樣地，負(fù)向掃描電壓為0V～1.6 V，每隔0.04 V 讀取一個數(shù)據(jù)，測得實時I-V 曲線，如圖5（b）所示。實驗結(jié)果表明優(yōu)化后器件具有良好的阻變效果，正電壓使憶阻器從高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，負(fù)電壓使憶阻器從低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，憶阻值變化規(guī)律與式（5）相吻合，驗證了阻變機(jī)理的正確性。

圖5 器件電學(xué)性能測試

學(xué)習(xí)記憶效應(yīng)包括長時程增強(qiáng)可塑性、長時程抑制可塑性，是實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的必要特性。故對憶阻器分別施加脈寬為2 s，幅值分別為1 V、2 V、3 V、4 V 的電壓，觀察學(xué)習(xí)效應(yīng)，如圖6（a）所示；之后重復(fù)0 V～0.5 V 掃描電壓，使電阻逐漸增加，直至電阻增加到高阻態(tài)，觀察遺忘曲線，如圖6（b）所示。實驗結(jié)果表明，憶阻器具有較好的突觸可塑性，能完成基礎(chǔ)的突觸功能。

圖6 器件突觸可塑性測試

4 結(jié)論

本文提出一種具有神經(jīng)形態(tài)特性的有機(jī)憶阻器制備方法并進(jìn)行工藝優(yōu)化，利用有機(jī)物材料具有的生物兼容性和成本低等特點，其具備穩(wěn)定阻變和低功耗。在B4200 半導(dǎo)體綜合參數(shù)測試儀下，對所制備器件進(jìn)行驗證分析，實驗結(jié)果表明，所制備器件具有良好的突觸可塑性和明顯阻態(tài)變化，與傳統(tǒng)憶阻器相比較，有機(jī)憶阻器具有更好生物兼容性等。