一种神经突触仿生器件及其仿生控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115867119A(43)申请公布日2023.03.28(21)申请号202211484488.0(22)申请日2022.11.24(71)申请人华中科技大学地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号申请人湖北江城实验室(72)发明人孙华军梁华南白娜邹岚清缪向水(74)专利代理机构华中科技大学专利中心42201专利代理师夏倩(51)Int.Cl.H10N70/20(2023.01)权利要求书2页说明书9页附图3页(54)发明名称一种神经突触仿生器件及其仿生控制方法(57)摘要本发明公开了一种神经突触仿生器件及其仿生控制方法，属于微电子器件技术领域，包括由下至上依次分布的下电极、阻变层、阻挡层和上电极；其中，阻变层为具有能级缺陷的阻变层，能够自发的捕获和释放载流子，且无需预先进行forming操作产生软击穿即可具有稳定的阻变特性，并不会对器件内部结构产生严重破坏，能够更加精确的模拟神经突触的功能。同时还可抑制神经信号之间的干扰，减小忆阻阵列中神经网络训练和推理运算过程中忆阻器件非理想因素的影响。CN115867119ACN115867119A权利要求书1/2页1.一种神经突触仿生器件，其特征在于，包括：由下至上依次分布的下电极、阻变层、阻挡层和上电极；所述阻变层具有能级缺陷；所述阻挡层用于进行自限流，防止阻变层被击穿。2.根据权利要求1所述的神经突触仿生器件，其特征在于，其激活过程采用激活模块实现；所述激活模块用于对所述神经突触仿生器件进行激活，以使所述神经突触仿生器件具有稳定的阻变特性，包括：将所述下电极接地，设置限制电流；在所述上电极上依次施加第一直流扫描和第二直流扫描，重复预设次数后，停止施加直流扫描；其中，所述第一直流扫描和所述第二直流扫描的电压极性相反。3.根据权利要求1或2所述的神经突触仿生器件，其特征在于，所述阻变层采用磁控溅射方法、原子沉积法、脉冲激光沉积发、化学气相沉积法或热氧化法制备得到。4.根据权利要求1或2所述的神经突触仿生器件，其特征在于，所述阻变层的厚度d1和所述阻挡层的厚度d2基于以下公式确定：V1＝εr2d1Vtotal/(εr1d2+εr2d1)V2＝εr1d2Vtotal/(εr1d2+εr2d1)其中，V1和V2分别为分配到所述阻变层和所述阻挡层的偏压；εr1和εr2分别为所述阻变层和所述阻挡层的介电常数；Vtotal为施加在所述神经突触仿生器件上的电压。5.根据权利要求1所述的神经突触仿生器件，其特征在于，所述下电极与所述阻变层的肖特基势垒低于所述上电极与所述阻挡层的肖特基势垒；所述阻挡层还用于阻挡载流子隧穿。6.根据权利要求5所述的神经突触仿生器件，其特征在于，所述下电极的材料为低功函数的金属材料或单晶材料，包括：Al、Mg、Ti、TiN、Zn、In、Li、Ta或Zr；所述上电极的材料为采用高功函数的金属材料或单晶材料，包括：Cr、Ni、C、Au、Pt、Co、Pd或Si。7.基于权利要求1‑6任意一项所述神经突触仿生器件的仿生控制方法，其特征在于，包括：突触学习功能的仿生：对激活后的所述神经突触仿生器件，将其下电极接地，并在第一预设时间段内，在其上电极上连续施加set脉冲，以对所述神经突触仿生器件进行刺激，从而实现神经突触学习功能的仿生；突触遗忘功能的仿生：进行完所述突触学习功能的仿生后，在预设第二预设时间段内，在所述神经突触仿生器件的上电极上停止施加set脉冲，以仿生神经突触的遗忘功能；所述第二预设时间段小于所述第一预设时间段；其中，对所述神经突触仿生器件进行激活的方法包括：将其下电极接地，设置限制电流；在其上电极上依次施加第一直流扫描和第二直流扫描，重复预设次数后，停止施加直流扫描；所述第一直流扫描和所述第二直流扫描的电压极性相反。8.根据权利要求7所述的仿生控制方法，其特征在于，所述神经突触仿生器件的学习程度通过改变所述第一预设时间段的大小来调控；所述神经突触仿生器件的遗忘程度通过改变所述第二预设时间段的大小来调控；2CN115867119A权利要求书2/2页所述神经突触仿生器件的遗忘率通过改变所述set脉冲的参数来调控；其中，所述set脉冲的参数包括：所述set脉冲的占空比、幅值和脉宽。9.根据权利要求7所述的仿生控制方法，其特征在于，还包括：突触增强功能的仿生：对激活后、且处于高阻态状态的所述神经突触仿生器件，将其下电极接地，并在其上电极上连续施加正向直流扫描电压或set脉冲，使其状态变为低阻态状态，以仿生神经突触的增强功能；突触抑制功能的仿生：对于激活后、且处于低阻态状态的所述神经突触仿生器件，将其下电极接地，并在其上电极上连续施加负向直流扫描电压或reset脉冲，使其状态变为高阻态状态，以仿生神经突触