ZnO全光控憶阻器及其類突觸行為

楊 靜，盧煥明，葉羽敏，諸葛飛,3

(1.寧波大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201； 3.中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心，上海 200031)

1 前 言

人腦包含約1011個神經(jīng)元以及1015個突觸[1]。突觸是神經(jīng)元間傳遞信息的關(guān)鍵部位，是生物大腦進行學(xué)習(xí)和記憶的最小單元。因此，類突觸器件研究對于類腦智能的發(fā)展具有重要意義。憶阻器是代表電荷與磁通量之間關(guān)系的兩端器件，雖具有電阻的量綱，但有著不同于電阻的非線性電學(xué)特性，其阻值會隨流經(jīng)它的電荷量發(fā)生改變，斷開電流后仍能保持之前的阻態(tài)[2-7]。該特性與神經(jīng)突觸的傳輸特性(突觸的連接強度會隨信號刺激而變化)十分類似[8-13]，并且憶阻器是兩端器件，結(jié)構(gòu)簡單，能耗較低，易于大規(guī)模集成。因此，憶阻器是模擬突觸行為的較理想元器件。

目前，已有多種材料體系被用于構(gòu)建憶阻型突觸，主要包括金屬氧化物[14-15]、金屬硫化物[16]、有機材料[17-18]及二維材料[19-20]。其中，金屬氧化物易于制備，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容性好，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此是制備高性能憶阻器件的理想材料之一。目前報道的憶阻型突觸器件中，一般使用純電信號或光電耦合信號調(diào)節(jié)憶阻器電導(dǎo)[21-24]，調(diào)節(jié)過程包含電場或電流驅(qū)動的離子或原子遷移，由此產(chǎn)生的器件微結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致器件性能變差。和電相比，光具有高帶寬、低串?dāng)_、速度快等優(yōu)勢的同時不改變器件微結(jié)構(gòu)。但是，目前使用全光信號對器件電導(dǎo)進行可逆調(diào)控的相關(guān)報道還很少[25-26]。因此，本研究首次在ZnO憶阻器中通過全光信號實現(xiàn)了器件電導(dǎo)的可逆調(diào)控，且光信號撤除后電導(dǎo)態(tài)仍具有非易失性，并進一步模擬了基本突觸功能。本研究的全光控憶阻器有望應(yīng)用于構(gòu)建高性能類腦計算系統(tǒng)。

2 實 驗

采用純度為99.99 wt%的ZnO陶瓷靶材，在室溫下，利用射頻磁控濺射技術(shù)，在鍍鉑硅片(Pt/Ti/SiO2/Si)襯底上制備厚度為50 nm的ZnO薄膜。磁控濺射腔體本底真空度低于1.0×10-4Pa，采用高純Ar氣作為濺射氣氛，氣壓為0.5 Pa，濺射功率為60 W，長膜前先進行10 min預(yù)濺射去除靶材表面雜質(zhì)。最后，利用電子束蒸發(fā)設(shè)備，結(jié)合金屬掩膜板，室溫下在ZnO薄膜表面沉積10 nm厚的Au作為頂電極，電極直徑為100 μm。對于沉積的ZnO薄膜，利用D8 Advance 型X射線衍射儀(XRD)表征其晶體結(jié)構(gòu)，利用Lambda 950型紫外可見近紅外分光光度計表征Au/ZnO/石英結(jié)構(gòu)的光透射率。利用配備有單色光源(Omni-λ3007)的Keithley 4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試Au/ZnO/Pt器件的電學(xué)性能和光電性能。在測試過程中，底電極接地，光或電壓施加在頂電極上。

3 結(jié)果與討論

X射線衍射是研究薄膜晶體結(jié)構(gòu)的重要手段。圖1(a)所示為利用磁控濺射在石英襯底上沉積ZnO薄膜的XRD衍射圖譜。從圖可見，ZnO薄膜在2θ = 33.7°處有(002)面的特征衍射峰，表明樣品為纖鋅礦結(jié)構(gòu)多晶薄膜。由于全光控憶阻器是利用光信號進行調(diào)制的，故電極應(yīng)具備一定的透明度。本實驗采用10 nm的Au作為頂電極，圖1(b)為Au/ZnO/石英結(jié)構(gòu)的光透射譜，在可見光波段(400～800 nm)平均透過率高于60%，可見用10 nm的Au作為頂電極可以保證有足夠的光信號到達器件內(nèi)部，調(diào)控器件的阻變行為。

圖1 (a) 磁控濺射生長的ZnO薄膜的XRD圖譜； (b) Au/ZnO/石英結(jié)構(gòu)的光透射譜Fig.1 (a) XRD pattern of ZnO grown by magnetron sputtering; (b) transmittance of Au/ZnO/Quartz

器件結(jié)構(gòu)的示意圖見圖2(a),圖2(b)為Au/ZnO/Pt器件加光前后的電流-電壓特性曲線。由于ZnO對可見光非常敏感，會不可避免地受到環(huán)境光照的影響，使器件初始處于高電導(dǎo)態(tài)，通過施加正/負電壓或長波光照可將器件調(diào)制成低電導(dǎo)態(tài)，即器件需要一個初始化過程。初始化后，如圖2(b)中的灰色曲線所示，器件在正負電壓下都發(fā)生高電導(dǎo)態(tài)向低電導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于ZnO薄膜的電子親和勢(4.2 eV)低于Au(5.1 eV)和Pt(5.65 eV)的功函數(shù)，從而在Au/ZnO和ZnO/Pt界面形成兩個背靠背的肖特基結(jié)。當(dāng)處于平衡狀態(tài)時，沿兩個方向穿過肖特基結(jié)的電子數(shù)相等，凈電流為零。當(dāng)施加偏壓時，一個結(jié)處于反向偏置，而另一個結(jié)處于正向偏置。一般情況下，器件電導(dǎo)是由處于反向偏置的肖特基結(jié)控制的。此外，肖特基結(jié)的寬度主要由電離的氧空位的量決定，電離的氧空位越多，肖特基結(jié)越窄，反之越寬。肖特基結(jié)的寬度會影響隧穿電流的大小，進而影響器件的電導(dǎo)[25]。以施加正偏壓為例，此時器件的阻變主要由ZnO/Pt肖特基結(jié)控制。在正偏壓下，有凈電子從Pt流入ZnO，部分電子被電離的氧空位捕獲轉(zhuǎn)變?yōu)橹行匝蹩瘴?，使肖特基結(jié)變寬，器件電導(dǎo)降低。用530 nm光照射30 s后，器件電流明顯增加，如圖2(b)中橙色曲線所示。這是因為光照后，ZnO中的中性氧空位被電離，隨著電離的氧空位含量增加，肖特基結(jié)的寬度變窄，導(dǎo)致電流上升。此外，光照下部分光生電子直接進入ZnO導(dǎo)帶，從而增大電流。

圖2(c)為器件在530 nm光照下的光響應(yīng)特性。光照后，器件從低電導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妼?dǎo)態(tài)，撤光后，高電導(dǎo)能長時間保持。與電信號的作用效果類似，Au/ZnO/Pt器件也可通過光照從高電導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妼?dǎo)態(tài)。如圖2(d)所示，對于高電導(dǎo)態(tài)器件，施加650 nm光照可以逐漸降低電導(dǎo)。為進一步研究電導(dǎo)降低程度跟光波長的關(guān)系，用530 nm光將器件調(diào)至高電導(dǎo)態(tài)后，施加不同長波長光照射，結(jié)果如圖2(e)所示。與無長波光照相比，600 nm光照仍然使器件電導(dǎo)增加，而650 nm和725 nm光照能使器件電導(dǎo)降低，并且波長越長，光抑制效果越差。因此對于該器件，使器件電導(dǎo)降低的最優(yōu)波長為650 nm。在測試過程中，施加10 mV的電壓讀取器件電導(dǎo)，如前所述，器件電導(dǎo)由處于反向偏置的肖特基結(jié)控制，故此時電導(dǎo)的升高和降低主要取決于ZnO/Pt界面肖特基結(jié)。當(dāng)用較長波長光照射處于高電導(dǎo)態(tài)的器件時，Pt電極中的電子會隧穿或越過肖特基勢壘進入ZnO導(dǎo)帶，與電離氧空位中和，肖特基勢壘變寬，電導(dǎo)降低。基于以上結(jié)果，通過選擇合適的波長即可實現(xiàn)器件電導(dǎo)的連續(xù)可逆調(diào)節(jié)。如圖2(f)所示，利用50個530 nm的光脈沖可實現(xiàn)電導(dǎo)連續(xù)增加，之后利用50個650 nm的光脈沖可實現(xiàn)電導(dǎo)連續(xù)降低。實現(xiàn)電導(dǎo)的可逆調(diào)控是進行突觸可塑性模擬的首要條件。

圖2 (a)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)加光前后電流-電壓特性，灰色曲線在黑暗中測量，橙色曲線在530 nm光照30 s后測量；(c)530 nm光照下電導(dǎo)增加；(d)高電導(dǎo)態(tài)器件在650 nm光照下電導(dǎo)降低；(e)高電導(dǎo)態(tài)器件在不同長波光照射下的光響應(yīng)；(f)50個530 nm光脈沖(寬度和間隔均為1 s)實現(xiàn)電導(dǎo)增大，50個650 nm光脈沖(寬度和間隔均為10 s)實現(xiàn)電導(dǎo)降低；光功率密度均為36 μW· cm-2，讀電壓10 mVFig.2 (a) Schematic illustration of the device structure; (b) current-voltage characteristics before (grey) and after (orange) light irradiation; (c) conductance increase upon 530 nm light exposure; (d) conductance decrease upon 650 nm light exposure; (e) photocurrent responses to illumination with light of various long wavelengths; (f) reversible tuning of conductance by applying fifty 530 nm light pulses (the duration and interval are 1 s) and fifty 650 nm light pulses (the duration and interval are 10 s); the light power density is 36 μW· cm-2 and the read voltage is 10 mV

一般來說，突觸的連接強度與刺激信號的強度、頻率等因素有關(guān)。因此，進一步研究了該器件的光功率密度依賴性及脈沖頻率依賴性。圖3(a)為不同光功率密度的530 nm光脈沖對器件電導(dǎo)變化的影響。從圖可見，光功率密度越大，電導(dǎo)增加得越明顯，且電導(dǎo)一開始變化較快，持續(xù)施加光脈沖后，電導(dǎo)增加變緩并逐漸達到飽和狀態(tài)，這與生物中的學(xué)習(xí)飽和現(xiàn)象是一致的。在530 nm波長下，器件電導(dǎo)隨不同光脈沖頻率的變化趨勢如圖3(b)所示。從圖可見，脈沖頻率越高，電導(dǎo)上升越明顯。同理，圖3(c)和(d)分別給出了在650 nm光信號下，不同光功率密度及不同頻率對器件電導(dǎo)的影響。研究結(jié)果表明，所用光功率密度越大，頻率越高，電導(dǎo)降低效果越明顯。

圖3 530 nm光照下器件電導(dǎo)的(a) 光功率密度依賴性；(b)光脈沖頻率依賴性；650 nm光照下器件電導(dǎo)的(c)光功率密度依賴性；(d) 光脈沖頻率依賴性Fig.3 (a) Light power density dependence and (b) light pulse frequency dependence of device conductance upon 530 nm illumination; (c) light power density dependence and (d) light pulse frequency dependence of conductance upon 650 nm illumination

從生物學(xué)上講，人類通過學(xué)習(xí)可逐漸掌握和理解一些東西，但隨著時間的推移會產(chǎn)生遺忘，當(dāng)再次接觸到同一事物時，只需花較少的時間即可達到同一認知水平，這種現(xiàn)象被稱為經(jīng)驗學(xué)習(xí)行為[27]?；贏u/ZnO/Pt全光控憶阻器，可以很好地模擬了這一行為，結(jié)果如圖4所示。先利用530 nm光脈沖對器件進行訓(xùn)練，通過50個脈沖，使電導(dǎo)從32.88 nS增加到581.73 nS，對應(yīng)人類的第一次學(xué)習(xí)過程；撤去光照后，電導(dǎo)逐漸衰減，開始時衰減較快，但隨著時間的延長，衰減變緩，表現(xiàn)出長程可塑性，100 s后電導(dǎo)值降低至128 nS，對應(yīng)于學(xué)習(xí)信息隨時間推移的遺忘過程；當(dāng)再次施加相同光脈沖時，僅僅需要18個脈沖，即可使電導(dǎo)值恢復(fù)至582.5 nS，對應(yīng)人腦的再學(xué)習(xí)過程。

圖4 經(jīng)驗學(xué)習(xí)行為模擬(a)學(xué)習(xí)；(b)遺忘；(c)再學(xué)習(xí)；所用光脈沖的脈寬和間隔均為1 s，光功率密度為36 μW· cm-2Fig.4 Simulation of experiential learning behavior using 530 nm light pluses (duration=1 s, interval=1 s, and power density=36 μW· cm-2) (a) learning; (b) forgetting; (c) relearning

本研究采用磁控濺射結(jié)合電子束蒸發(fā)技術(shù)制備了Au/ZnO/Pt憶阻器。通過改變光波長實現(xiàn)了器件電導(dǎo)的可逆調(diào)控。綠光使電導(dǎo)連續(xù)增加，紅光使電導(dǎo)連續(xù)下降。利用以上特性，通過調(diào)整光脈沖參數(shù)進行了突觸可塑性模擬。研究結(jié)果表明，該ZnO全光控憶阻器能很好地模擬突觸中的長程增強與長程抑制、光功率密度依賴可塑性、頻率依賴可塑性以及學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)的經(jīng)驗學(xué)習(xí)行為。