【摘 要】
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随着人工智能的飞速发展,构建人工神经网络成为人们的迫切需求。忆阻器作为一种新兴的电子元件由于具有与神经突触相似的非线性传输特性,在神经突触仿生领域有着潜在的应用前景。氧化物是构筑忆阻器的重要材料体系,其中ZnO由于具有化学稳定性高、材料储量丰富、环境友好等优点成为构筑忆阻器的基础材料。然而,一方面由于ZnO本身存在大量本征缺陷（如O空位）,导致薄膜载流子浓度高,在ZnO基忆阻器运行时需要能耗较高,
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随着人工智能的飞速发展,构建人工神经网络成为人们的迫切需求。忆阻器作为一种新兴的电子元件由于具有与神经突触相似的非线性传输特性,在神经突触仿生领域有着潜在的应用前景。氧化物是构筑忆阻器的重要材料体系,其中ZnO由于具有化学稳定性高、材料储量丰富、环境友好等优点成为构筑忆阻器的基础材料。然而,一方面由于ZnO本身存在大量本征缺陷（如O空位）,导致薄膜载流子浓度高,在ZnO基忆阻器运行时需要能耗较高,不能满足类脑突触仿生的需求,因此低能耗的ZnO基忆阻器件亟待开发;另一方面开发具有光电学习能力的突触器件是未来构建高效类脑神经网络的重要分支,而ZnO材料良好的光电性质,为开发光电突触器件提供了良好平台。本论文基于以上需求开展研究,具体研究内容如下:1.ZnO基超低能耗忆阻器件研究:我们采用磁控溅射制备基于N掺杂ZnO薄膜的Au/ZnO:N/TiN/PET器件,利用N掺杂的自补偿效应,降低薄膜载流子浓度及器件运行电流,从而实现超低运行功耗。通过调节制备过程中的N分压,优化薄膜中的N/Zn比,获得了稳定运行的ZnO基低能耗忆阻器,单次运行功耗仅为60 f J,与生物突触可比拟（<100 f J）。进一步,具有温度依赖的离子扩散过程表明器件阻变的物理机制来源于氧离子迁移和扩散。同时,在电学特性测试中,通过改变刺激器件的电脉冲幅值、宽度、数量、频率等参数,实现了对兴奋突触后电流、对脉冲刺激异化、脉冲时序依赖可塑性和经验依赖可塑性等神经突触学习功能的模拟。2.ZnO基光电忆阻器件研究:我们使用磁控溅射技术制备具有HfOx/ZnO异质结的Au/HfOx/ZnO/ITO光电忆阻突触器件。电学特性和吸收测试结果表明,器件能够在波长为390 nm的光脉冲刺激后产生持续性光电导现象。进一步,通过对器件的光电忆阻特性测试分析得知,器件产生的持续性光电导是源于磁控溅射制备非晶HfOx薄膜中缺陷捕获位点对为ZnO中光生空穴和电子的捕获/解吸作用。利用这种持续光电导现象,我们通过调节光脉冲强度、时间、频率等参数,实现了短期/长期可塑性、经验式学习行为等光电突触学习功能的模拟。另外,利用光脉冲和电脉冲的协同刺激作用在器件上实现了生物学习中光增强和电抑制行为。
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