一種氧化鋅納米線突觸晶體管的研究

陳 凡

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 福建 廈門 361000）

0 引言

在人類大腦中，突觸在記憶和學(xué)習(xí)方面起著重要作用。作為神經(jīng)元之間的功能聯(lián)系，突觸可以通過發(fā)送和接收神經(jīng)遞質(zhì)來傳遞信息[1]。突觸權(quán)重是用來衡量?jī)蓚€(gè)相鄰神經(jīng)元之間連接的強(qiáng)度。在神經(jīng)科學(xué)中，通過調(diào)節(jié)突觸的權(quán)重來存儲(chǔ)和處理信息的行為被稱為突觸可塑性[2]。

到目前為止，人們?cè)谥圃祀娮尤斯ね挥|方面做出了很多努力。CHEN[3]通過開發(fā)硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路來模擬突觸行為，其無法滿足人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，且與生物突觸相比，具有很高的能耗。為了將神經(jīng)形態(tài)電路減少到人腦的規(guī)模，開發(fā)低功耗的納米級(jí)設(shè)備是很有必要。最近出現(xiàn)了一些致力于在單個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)人工突觸的研究[4]。ALIBART[5]團(tuán)隊(duì)證明了一種混合納米有機(jī)記憶場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以模擬生物突觸的短期可塑性，并表現(xiàn)出促進(jìn)或抑制行為。Nishitani[6]團(tuán)隊(duì)提出了一種使用鐵電薄膜作為柵極介質(zhì)膜的突觸晶體管，利用鐵電柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)基于尖峰時(shí)間依賴突觸可塑性的突觸學(xué)習(xí)功能。

本文介紹一種基于氧化鋅納米線（ZnO-NW）晶體管的單一突觸器件。氧化鋅是n 型半導(dǎo)體，具有較高的電子遷移率，可以降低氧化鋅晶體管的工作電壓和功耗。在氧化鋅薄膜器件中已經(jīng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（LTP）和長(zhǎng)時(shí)程抑制（LTD）等重要的突觸功能。而氧化鋅納米線可以模擬神經(jīng)纖維的拉長(zhǎng)形態(tài)，但目前未有氧化鋅納米線晶體管方面的電子突觸特性研究。因此我們致力于研究ZnONW 晶體管的突觸功能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和器件制備

采用高磷摻雜硅襯底作為背柵，熱生長(zhǎng)100 nm 厚的背柵氧化物（SiO2）。以氧化鋅和碳粉的混合物為前驅(qū)體，975 ℃下，在約2 nm的鍍金Si（100）襯底上生長(zhǎng)ZnO納米線。隨后將氧化鋅納米線浸入丙酮溶液中進(jìn)行超聲振動(dòng)，使其從襯底上剝離后分散到具有SiO2涂層的硅襯底上。通過直流磁控濺射在直徑為50 nm 的單根ZnO-NW 的兩個(gè)端子上沉積了兩個(gè)間距為3 μm 的濺射鈦電極，經(jīng)過剝離工藝后形成晶體管。

1.2 器件測(cè)試

晶體管的電性能采用半導(dǎo)體表征系統(tǒng)（4200-SCS：美國(guó)基思利）進(jìn)行測(cè)試。為了研究器件的突觸行為，將柵極和漏極分別視為前突觸和后突觸的位置，并分別與脈沖刺激相連。所有測(cè)試均在室溫空氣中進(jìn)行。

2 結(jié)果分析與討論

三端器件可以被視為一個(gè)突觸，其通過柵極動(dòng)態(tài)控制晶體管的電導(dǎo)與突觸權(quán)重性能相似。圖1為以一根ZnO 納米線作為源漏通道的三端器件以及其在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中如何作為人工電子突觸工作的示意圖。圖2顯示出了具有底柵結(jié)構(gòu)的ZnO 納米線晶體管的傳輸特性，通過將柵極電壓（左）從不同的正值掃至-10 V，其閾值電壓如左圖中的箭頭所示逐漸向左移動(dòng)，柵極電壓（右）從不同的負(fù)值掃至+10 V，閾值電壓如右圖向右移動(dòng)。由此可見，傳輸曲線的整個(gè)位移與掃描柵極電壓的層疊值以及掃描范圍和掃描方向密切相關(guān)。在某個(gè)固定柵壓下（如圖2中虛線位置）溝通電流值是不同的，說明該晶體管電導(dǎo)可調(diào)且具有很寬的調(diào)節(jié)范圍。

圖1 生物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與ZnO-NW 器件示意圖

圖2 氧化鋅納米線晶體管在不同柵壓掃描下的傳輸特性曲線

基于能夠通過柵極電壓調(diào)節(jié)通道電導(dǎo)和閾值電壓的ZnO-NW 晶體管，我們提出了用于模擬突觸功能的單個(gè)三端晶體管模型。在這種突觸晶體管中，施加在柵電極上的電壓脈沖通常被視為前突觸尖峰或外部刺激，通道電導(dǎo)通常被視為突觸權(quán)重[7]。圖3顯示了該突觸晶體管的模擬電導(dǎo)開關(guān)行為，表現(xiàn)為對(duì)器件施加負(fù)脈沖序列后，器件的工作模式從低電導(dǎo)狀態(tài)逐漸切換到高電導(dǎo)狀態(tài)，施加正脈沖序列后，器件的工作模式從高電導(dǎo)狀態(tài)反向切換到低電導(dǎo)狀態(tài)。此外，每個(gè)脈沖的能量耗散也可以平均降低到約1.0 pJ的水平。

圖3 脈沖刺激下氧化鋅納米線晶體管的權(quán)重調(diào)節(jié)

對(duì)于神經(jīng)形態(tài)硬件，突觸器件需要有模擬開關(guān)的特性，包括其線性、運(yùn)行速度和功耗等。在基于機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用中更希望是線性電導(dǎo)調(diào)制，因?yàn)樗梢院?jiǎn)化權(quán)重調(diào)整過程。圖4為晶體管的9 個(gè)重復(fù)增強(qiáng)/抑制循環(huán)的曲線圖。增強(qiáng)（抑制）過程可以用以下模型很好地描述：

G=a-ce-βt（G=a+ce-βt）

其中G是電導(dǎo)，t是測(cè)量時(shí)間，a、c和β是擬合參數(shù)。這里的指數(shù)因子β可以反映電導(dǎo)調(diào)制如何偏離線性過程。β值越大，表示非線性切換越大，反之亦然。我們對(duì)ZnONW 突觸晶體管的多次增強(qiáng)和抑制過程進(jìn)行了數(shù)值擬合，如圖4插圖所示增強(qiáng)和抑制過程的β值統(tǒng)計(jì)值低于0.16，抑制過程的β值低于增強(qiáng)過程，這說明ZnO-NW 器件作為人工突觸器件的線性度很好，特別是抑制過程。

圖4 器件的9 次重復(fù)增強(qiáng)/抑制循環(huán)的權(quán)重調(diào)節(jié)曲線圖及對(duì)應(yīng)β 值

為了進(jìn)一步研究權(quán)重與刺激參數(shù)之間的關(guān)系，我們?cè)诰w管的柵極上施加了不同電壓幅度寬度為100 ms 的單向方波尖峰。圖5顯示了電導(dǎo)與脈沖幅度和脈沖數(shù)量之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)無論是增強(qiáng)還是抑制過程，施加在柵極上的脈沖幅度越大，器件電導(dǎo)變化越陡，隨著脈沖數(shù)的增加，電導(dǎo)變化值也隨之增大，最終達(dá)到穩(wěn)定的傳導(dǎo)狀態(tài)。這與在外部刺激下學(xué)習(xí)初期效果最佳，隨著刺激的增加學(xué)習(xí)效果逐漸減小，最終達(dá)到飽和的生物突觸學(xué)習(xí)過程表現(xiàn)一致。該器件飽和的原因是SiO2層中流動(dòng)質(zhì)子在不同電壓下的限制。突觸飽和對(duì)于維持系統(tǒng)可靠性，避免突觸強(qiáng)度失控增長(zhǎng)和過度神經(jīng)放電方面起著至關(guān)重要的作用[8]。

圖5 器件電導(dǎo)與脈沖幅度和脈沖數(shù)的關(guān)系

突觸可塑性按記憶保留能力可分為長(zhǎng)期可塑性和短期可塑性，分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)期記憶行為和短期記憶行為。短期可塑性可以使神經(jīng)連接持續(xù)幾分鐘甚至更短的時(shí)間，而長(zhǎng)期可塑性則可以持續(xù)數(shù)小時(shí)到數(shù)年。短期可塑性可以在本器件中通過重復(fù)刺激轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)期可塑性[9]。圖6展示了一種使遺忘信息更容易重新被學(xué)習(xí)的“學(xué)習(xí)－經(jīng)驗(yàn)”行為。圖中黑色部分為依次用50 個(gè)脈沖刺激后，器件權(quán)重隨著脈沖數(shù)量的增加而逐漸變大。藍(lán)色部分為移除施加的電壓后且在沒有外部輸入的情況下，器件權(quán)重自發(fā)衰減，初始衰減速度較快，然后逐漸減慢，但是權(quán)重不會(huì)回到初始狀態(tài)，而是穩(wěn)定在一個(gè)中間狀態(tài)。紅色部分為當(dāng)突觸器件從中間狀態(tài)再次受到刺激時(shí)，只需要20 個(gè)的脈沖刺激就能使其權(quán)重恢復(fù)到原來的水平。這些現(xiàn)象說明該ZnO-NW 突觸晶體管具有更容易重新學(xué)習(xí)被遺忘信息的“學(xué)習(xí)－經(jīng)驗(yàn)”行為[10]。

圖6 ZnO-NW 器件的“學(xué)習(xí)－經(jīng)驗(yàn)”行為

我們還研究了不同數(shù)量的脈沖刺激序列施加于器件后短期可塑性的弛豫過程。如圖7所示，保留曲線是在柵電極上施加10、15……30 和35 個(gè)刺激序列（每個(gè)刺激序列包括10 個(gè)6 V、200 ms 脈沖）后記錄的，可以用公式（1）擬合：

C0和A 是t=0 時(shí)的記憶水平，是經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間后處于穩(wěn)定狀態(tài)，τ是松弛時(shí)間常數(shù)，可用來計(jì)算遺忘率。表1為保留時(shí)間（τ）與刺激序列數(shù)（N）的變化關(guān)系。隨著刺激次數(shù)的增加，τ有明顯增大，這表明遺忘率在降低。結(jié)合圖7與表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖刺激序列的增加，器件電導(dǎo)在相同時(shí)間內(nèi)有更少的遺忘丟失和更長(zhǎng)的保留時(shí)間。這種現(xiàn)象被認(rèn)為是通過重復(fù)刺激實(shí)現(xiàn)從短期可塑性到長(zhǎng)期可塑性的轉(zhuǎn)變。

表1 刺激級(jí)數(shù)的數(shù)量（N）與對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間常數(shù)（τ）

圖7 器件在不同次數(shù)相同刺激后的記憶保持?jǐn)?shù)據(jù)及其擬合曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文成功地展示了一種具有可靠的模擬電導(dǎo)調(diào)制行為、基于氧化鋅納米線晶體管的電子突觸器件。在這樣一個(gè)低功耗的電子器件上模擬出重要的突觸功能，如長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)/抑制、“學(xué)習(xí)－經(jīng)驗(yàn)”等行為。在增強(qiáng)和抑制的過程中，氧化鋅納米線器件展示了作為人工突觸器件的線性度優(yōu)越性。因此，基于氧化鋅納米線的突觸晶體管在今后生化傳感器和神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的研究中具有很大的潛力。