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忆阻器类脑芯片与人工智能( 二 )


（1）二元金属氧化物
这种材料主要是过渡金属氧化物 ， 还有一些镧系金属氧化物以及IV、V、VI主族金属氧化物[1] 。 在诸多氧化物中 ， TiOx、HfOx、AlOx、TaOx和ZrOx等材料受到广泛关注 。 此外由于与传统CMOS工艺兼容 ， CuOx与WOx材料也有很多报道 。 目前最出色的忆阻器材料仍然是二元金属氧化物材料 ， 并且最接近工业生产指标 。
（2）钙钛矿类材料
自2000年在Pr0.7Ca0.3MnO3（PCMO）薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应（EPIR效应） ， 越来越多的钙钛矿类电阻转变材料被研究 ， 如 SrTiO3、Na0.5Bi0.5TiO3等 。 钙钛矿型氧化物具有非易失、高速和低功耗等良好性能 。 近来 ， 卤化物钙钛矿材料在光伏领域的卓越表现使其成为“明星材料” ， 基于卤化物钙钛矿材料的低功耗高性能忆阻器不断涌现 。 然而卤化物钙钛矿与传统CMOS工艺不兼容 ， 导致该类材料在阻变存储领域较难推广 。 本课题组在对CsPbBr3钙钛矿器件研究的过程中突破了这一难点 ， 利用工业级的保护材料聚对二甲苯（parylene）作为牺牲层 ， 在涂有钙钛矿材料的样品表面生长这种材料并对其进行光刻 ， 这样既可以在钙钛矿材料表面制作图形化的顶电极[2] 。
（3）固态电解质材料
固态电解质材料因其晶体中的缺陷或其他结构为离子快速的迁移提供通道 ， 因此又被称为快离子导体 。 这类忆阻器的器件单元通常包括一个电化学活性电极（如 Ag、Cu、Ni等） ， 固态点机制为中间功能层 ， 和一个惰性电极（如Pt、Au、W等）[3] 。
（4）硫系化合物半导体材料
硫系化合物半导体材料也是一种重要的忆阻材料 ， 常见的二元硫系化合物有 AgS2 [4]、GeSe[5]等、也包括多元硫系化合物Ge2Sb2Te5、AgInSbT等 。 硫系化合物根据其材料成分、掺杂元素、电极材料等的不同 ， 导致其阻变行为及内部的阻变机理不同 ， 这引起了广泛关注 。 同时 ， 很多硫系化合物作为相变材料 ， 分别在晶态和非晶态展现出良好的忆阻特性 ， 这为多值存储提供了可能性 ， 成为这类材料的一个潜在的应用优势 。
（5）有机材料
有机材料由于其柔性、透明等特点 ， 在制备可穿戴电子器件中拥有天然优势 。 有机材料类的忆阻器在近几年发展迅速 ， 可分为工业聚合物材料（如 PEDOT:PSS、聚苯乙烯、聚对二甲苯等）和天然生物材料（如鸡蛋蛋白、蚕丝蛋白等）[6-8] 。 由于有机材料在可穿戴器件中拥有广泛优势 ， 为了能够制作出良好的电子器件 ， 研究人员还需要进一步提高改材料的器件擦写速度、数据保存时间、开关比和器件功耗等方面的参数 ， 并且还需继续探索和阐述其阻变机理、提高其稳定性 。
2.类突触器件与芯片原则上 ， 具有记忆功能的器件都可称为类突触器件 。 具体的 ， 若材料的光、电、力、热等性能在外界刺激下产生不易失变化 ， 基于此种材料制作的器件都可称为类突触器件 ， 类突触器件可构建类脑芯片 。 光学器件和电学器件是应用最为广泛的器件 ， 本小节介绍两种被广泛研究的类突触器件 ， 分别为忆阻器和光子类突触器件 ， 以及类脑芯片 。
（1）忆阻器件与类脑芯片
忆阻器件是一种新兴微电子器件 ， 它的电导状态受外界施加电场的影响 ， 可以在两个或者多个状态间切换 ， 具有非易失性、与现有CMOS工艺兼容、可微缩性好、集成密度高、速度快、能耗低等诸多优点 ， 是一种非常具有发展潜力的基础器件 。 2008年美国惠普（HP）实验室在TiO2器件中物理验证了这种由加州大学伯克利分校蔡少棠教授理论提出的忆阻器概念[9] 。 密歇根大学Lu团队[10]于2010年在忆阻器中实现了突触可塑性仿脑功能 ， 掀起了类突触器件及计算研究的高潮 。 Yang团队[11]研制出扩散型忆阻器 ， 构建了全忆阻硬件神经网络 ， 探索了忆阻神经网络在完成图像识别、图像压缩和步态识别等任务中的应用；Waser团队[12]深入研究了忆阻器中的电化学机制和导电通道演化过程 ， 提出了忆阻器时序布尔逻辑的实现方法；Strukov团队[13]则硬件构建了忆阻多层感知器网络 ， 探索了网络离线学习和在线学习的能力和性能表现 。 清华大学研制上千忆阻器集成阵列并用于人脸识别 ， 可发展成为人工智能硬件系统中图像信息识别模块[14] 。 华中科技大学课题组基于钙钛矿材料的二阶忆阻器实现了生物突触中的三相STDP规则 ， 可以用于更加复杂的模式识别和轨迹追踪[15] 。 南京大学课题组基于离子导电介质实现类树突多端器件[16] 。 中国科学院微电子研究所实现了三维集成的RRAM集成阵列[17] ， 有望实现三维类脑芯片 。 南京大学的高温高稳定性二维材料忆阻器[18] ， 有望实现柔性高可靠类脑芯片 。


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