阻变器件的非易失性存储与神经形态应用研究

摘要

阻变器件作为当前研究的热点在非易失性存储、神经形态系统等方面有着重要应用。一方面，传统浮栅存储器存在工作电压高、速度慢、耐擦写次数低等不足，越来越难以满足非易失性存储器高性能要求以及日益增长的市场需求，研发性能优良的新型非易失性存储器显得尤为紧迫。而阻变器件具有非易失性，且其结构简单、集成度高、速度快、功耗低、工作电压低，有望作为下一代非易失性存储器。另一方面，人类长期以来梦想着构造一台能像人脑一样工作的计算系统。神经形态系统是一种受人脑启发产生的类脑计算系统，而如何有效实现其基本信息存储和处理单元——突触和神经元，也成了构造大规模神经形态系统首先需要解决的问题。阻变器件可实现类似于生物突触和大脑的功能，有望作为信息存储单元应用到神经形态系统中。本文在阻变器件的非易失性存储和神经形态应用研究中重点开展了以下四个方面的工作。
　　1、针对阻变器件的非易失性存储应用，制作了一种双极型二氧化铪阻变器件，并用电流扫描的方法在二氧化铪阻变器件中实现了8个可明显区分的电阻状态，用该方法得到的电阻状态有良好的数据保持特性，表明单个二氧化铪阻变器件单元就有望存储多位数据，这也是实现高密度存储的一种简单、有效、且成本低廉的方法。采用伽马射线，对二氧化铪阻变器件进行了总剂量辐照效应研究。器件在总剂量为20 Mrad(Si)的伽马辐照过后仍可擦写10000次以上，并且伽马辐照引起的置位/复位电压、高/低阻态的微小变化对器件正常工作几乎没有影响，表明该二氧化铪阻变器件具有优越的抗伽马辐照特性，有潜力应用于伽马射线环境中。
　　2、针对阻变器件的神经形态应用，制作了氧化镍阻变器件，实验验证了阻变器件可以模拟大脑行为级的学习记忆和遗忘功能，还可以模拟突触可塑性。基于氧化镍阻变器件模拟了大脑的学习记忆和遗忘功能；在具有电导衰减特性的氧化镍阻变器件中模拟了大脑遗忘曲线；在氧化镍阻变器件中模拟了突触长时程增强特性和突触双脉冲易化特性，且观察到阻变器件双脉冲易化幅度随着脉冲间隔时间增大而减小，并通过拟合从中分离出了快相和慢相。
　　3、在阻变器件的研究基础上，从电路系统层面呈现了阻变器件的神经形态应用。提出了一种基于CMOS和阻变器件的、可实现脉冲时序依赖可塑性的突触电路，基于此突触电路设计了一种包含3个神经元和2个突触的联想学习网络，结合氧化镍阻变器件和外围电路搭建了该网络，从实验上实现了巴普洛夫狗实验中的联想学习以及记忆的遗忘；设计并搭建了基于二氧化铪阻变器件的、具有类似于大脑联想记忆功能的可重构 Hopfield网络，实现了单目标和多目标联想记忆，为用硬件实现可模拟大脑记忆的可重构神经形态系统提供了一种可能的方法。
　　4、神经元作为神经形态系统的信息处理单元，其能否有效实现关乎神经形态系统的规模大小。本文对具有类似于神经元加权求和以及阈值功能的神经元晶体管的实现进行了探索。制作了基于铟镓锌氧化物沟道和二硫化钼沟道的平面结构的神经元薄膜晶体管。并在单个神经元薄膜晶体管中实现了类似于有两颗算珠的算盘功能、逻辑或功能、逻辑与功能。

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第一章 绪 论

1.1阻变器件发展历程

1.2阻变器件的非易失性存储应用

1.3阻变器件的神经形态应用

1.4本章小结

1.5本文的主要研究工作

第二章 阻变器件与神经网络基础

2.1阻变器件基础

2.2神经网络基础

2.3本章小结

第三章 阻变器件的非易失性存储应用研究

3.1阻变器件的多位存储应用研究

3.2阻变器件的总剂量辐照研究

3.3本章小结

第四章 阻变器件模拟生物特性研究

4.1阻变器件模拟多重记忆和瞬态遗忘特性研究

4.2阻变器件模拟遗忘曲线研究

4.3阻变器件模拟突触可塑性研究

4.4基于阻变器件的突触电路研究

4.5本章小结

第五章 基于阻变器件的Hopfield神经网络研究

5.1基于阻变器件的Hopfield网络的搭建

5.2基于阻变器件的Hopfield网络实现联想记忆研究

5.3基于阻变器件的Hopfield网络联想记忆时间特性研究

5.4本章小结

第六章 神经元晶体管探索

6.1基于IGZO的神经元薄膜晶体管研究

6.2基于MoS2的神经元薄膜晶体管研究

6.3本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果