通过优化Ru与CeO?之间的相互作用，在Ru/CeO?/Pt忆阻器中实现可调的突触权重更新范围，以应用于类脑计算

《Journal of Alloys and Compounds》：Tunable Synaptic Weight Update Ranges in Ru/CeO 2/Pt Memristor through Optimal Interaction between Ru and CeO 2 for Neuromorphic Computing Applications

可调重置范围memristor通过Ru/CeO2/Pt结构实现氧空位调控，在低电压±2V下导通范围2.38-17.5nS，高电压+7V脉冲10次扩展至22.5-117nS，脉冲次数增至20/30次时达119-596nS/261-2370nS，通过界面Schottky势垒调控和氧空位动态迁移实现自适应突触特性，适用于神经形态计算。

　　

韩珠姬（Hanju Ko）|朴基泰（Kitae Park）|郑彼得海荣（Peter Hayoung Chung）|苏拉·Moon（Sola Moon）|金贤美（Hyeongmi Kim）|金亨坤（Hyeongkeun Kim）|尹泰植（Tae-Sik Yoon）

韩国蔚山国家科学技术研究院（Ulsan National Institute of Science and Technology）半导体材料与器件工程研究生院，蔚山44919

摘要

通过Ru和CeO₂之间的最佳相互作用，展示了Ru/CeO₂/Pt忆阻器独特的可调重量更新范围特性。其中，Ru对氧气具有部分惰性，而CeO₂是一种具有高氧离子扩散率的导电性氧化物。在施加导电性调节脉冲之前，模拟导电范围在?/+2 V的激励和抑制脉冲下分别为2.38至17.5 nS。这归因于CeO₂内部已有氧离子的重新分布，改变了Ru/CeO₂界面处的肖特基势垒。利用这种模拟重量更新方式，对手写数字的MNIST数据库实现了91.63%的识别准确率。在施加了十次高幅度（+7 V）的导电性调节脉冲后，导电范围提高到了22.5?117 nS。将脉冲重复次数增加到二十次和三十次后，调节范围进一步增大，分别为119?596 nS和261?2,370 nS。高幅度导电性调节脉冲的施加在CeO₂中产生了额外的氧空位，从而增加了导电范围，这得益于Ru和CeO₂之间的最佳相互作用，这一点通过形成纳米厚的界面层和CeO₂中的氧耗尽得到了证实。Ru/CeO₂/Pt忆阻器的这种可调导电调制范围特性适用于实现神经形态系统中的自适应和可重构人工突触。

引言

随着以数据为中心的应用（如人工智能（AI）的普及，计算系统中需要处理的数据量呈指数级增长。目前数据中心使用的AI芯片通常采用基于图形处理单元（GPU）的架构，这些GPU由多个计算核心和内存块组成，其中静态随机存取存储器（SRAM）用作寄存器和缓存，动态随机存取存储器（DRAM）用作主内存。尽管SRAM可以与基于相同互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的计算核心集成，但由于一个SRAM由6-10个晶体管构成，因此难以持续提高SRAM的密度[1]。此外，由于SRAM处理和存储的是二进制数字数据，它在表示连续的突触权重方面存在显著挑战。使用易失性SRAM的架构还需要额外的非易失性存储单元来保存训练得到的权重值。另外，这些在GPU卡上集成多个DRAM的架构在计算过程中需要频繁地在内存和处理单元之间传输数据，这会导致计算速度大幅延迟和能量消耗增加，这种现象被称为冯·诺伊曼瓶颈问题。

神经形态计算系统作为当前冯·诺伊曼计算系统的可行替代方案，正在被积极研究，旨在通过集成多种新兴存储器（如用于计算的人工突触）来实现高能效计算，包括电阻式随机存取存储器（RRAM）[2]、[3]、[4]、相变存储器（PCM）[5]、[6]、[7]、磁随机存取存储器（MRAM）[8]、[9]和铁电随机存取存储器（FeRAM）[11]、[12]、[13]。其中，基于RRAM的双端金属氧化物忆阻器作为有前景的突触器件得到了广泛研究。它们的金属（电极）/绝缘体（氧化物）/金属（电极）（MIM）结构简单，类似于生物神经系统中的突触前神经元/突触/突触后神经元结构。此外，忆阻器可以在4F²（F是最小特征尺寸）的小单元区域内存储非易失性模拟数据。它们还可以以垂直方式制造成高密度交叉阵列架构[14]、[15]。交叉阵列架构通过利用欧姆定律和基尔霍夫定律，促进了向量-矩阵乘法（VMM）的高效计算[16]。

在金属氧化物忆阻器中，电极材料在决定设备的开关（导电变化）机制方面起着关键作用[17]、[18]。例如，与氧气反应的金属电极（如钛（Ti）[3]、[4]、[19]、[20]和氧化铟锡（ITO）[22]）与金属氧化物层有强烈的相互作用，会吸收大量氧原子，从而形成局部导电细丝。这些细丝状忆阻器具有快速切换速度、低电压操作和良好的保持特性，适用于推理操作。然而，它们在细丝形成过程中存在随机性，并且由于细丝形成和断裂的突然行为，难以进行模拟突触权重的更新。

另一方面，不与氧气反应的惰性金属电极（如铂（Pt）[21]、钯（Pd）[23]和金（Au）[2]通常用于非细丝状忆阻器。这些惰性金属电极在界面处形成肖特基势垒，因为它们具有较高的功函数，并且对与金属氧化层的反应具有抗性。然后，通过施加外部偏压来改变界面附近的氧空位数量，可以调节设备的肖特基势垒高度和相应的导电性。与表现出突然导电变化的细丝状忆阻器不同，由于肖特基势垒随迁移空位数量的变化而逐渐变化，这些设备能够实现模拟突触权重的更新。因此，非细丝状和界面型忆阻器适用于需要高耐久性的模拟导电调节的训练操作。

在本研究中，研究了以钌（Ru）作为顶电极（TE）和氧化铈（CeO₂）作为金属氧化物绝缘层的非细丝状忆阻器，即Ru/CeO₂/Pt忆阻器。通常，在非细丝状忆阻器的底电极（BEs）和TE上都使用惰性电极，以抑制与金属氧化物层的相互作用；否则，相互作用会在金属氧化物层中产生过多的氧空位，形成类似细丝状忆阻器的导电细丝。相比之下，所提出的Ru/CeO₂/Pt忆阻器的Ru TE对氧气具有中等惰性，相比Pt、Pd和Au而言。即使Ru被认为是化学惰性的，它也具有稳定的氧化相（即氧化钌（RuO₂）[24]，能够与氧阴离子形成稳定的化学键合，从而与金属氧化物形成稳定的界面。此外，在足够高的偏压条件下，它还可以与金属氧化物交换氧离子。因此，可以通过Ru电极与金属氧化物之间的相互作用来调节金属氧化物中的氧空位数量，从而调节导电范围。Ru的功函数相对较高，为4.71 eV[25]，这有利于界面型忆阻器。此外，它与CMOS技术兼容，也被考虑作为铜（Cu）在金属互连中的替代品[26]、[27]、[28]、[29]。作为忆阻器的电阻开关层，CeO₂具有高氧离子导电性，Ce阳离子的价态可变（即Ce³⁺和Ce⁴⁺），这使得可以通过生成和重新分配氧空位来调节CeO₂的内部状态，从而实现导电调节[30]、[31]。结合了最佳惰性的Ru和电导可调的CeO₂的特性，系统地研究了Ru/CeO₂/Pt忆阻器的突触特性，考虑了施加的偏压条件。由于Ru的最佳惰性特性以及CeO₂的高氧离子扩散率，Ru/CeO₂/Pt忆阻器表现出与CeO₂层内氧离子重新分布引起的激励和抑制相对应的模拟导电切换。此外，通过施加高电压导电性调节脉冲，可以调节导电范围，这是由于在导电性调节脉冲应用期间氧离子从CeO₂迁移到Ru电极，从而增加了氧空位的数量。这展示了一种实现自适应和可调突触特性的新途径，其权重更新范围可以通过控制最佳惰性的Ru电极与CeO₂层之间的相互作用来调节。

实验部分

实验过程

Ru/CeO₂/Pt忆阻器的制备过程如下：首先，在SiO₂/Si基底上通过电子束蒸发沉积一层带有Ti粘附层的Pt BE。然后，使用CeO₂靶材（2英寸，纯度99.9%）通过射频（RF）磁控溅射沉积30纳米厚的CeO₂层，随后在空气中400 ℃下退火一小时。溅射过程在室温下进行，RF功率为100 W，氩气（Ar）环境中的基压范围为10^-6Torr

结果与讨论

图1比较了Ru/CeO₂/Pt忆阻器的模拟导电调制特性，分别对应于施加的电压幅度：低电压±2 V（(a)-(c)）和高电压±7 V（(d)-(f）。由于Ru对氧气具有一定的惰性，施加低幅度电压并未引发Ru电极与CeO₂层之间的反应，例如氧迁移和溶解到Ru中。相反，如图1(a)所示，原有的氧空位被

结论

通过Ru电极和CeO₂层之间的最佳相互作用，展示了Ru/CeO₂/Pt忆阻器独特的可调突触权重更新特性，特别是可调节的导电范围。在低电压操作下，实现了模拟导电性的线性均匀变化，模仿了生物突触的激励和抑制，动态范围约为一个数量级，且耐久性超过2.7×10⁴次脉冲。该设备还表现出时间依赖性

CRediT作者贡献声明

金贤美（Hyeong-Mi Kim）： 数据整理、形式分析、可视化。郑彼得（Chung Peter）： 软件开发、形式分析。朴基泰（Kitae Park）： 文稿撰写——审阅与编辑、可视化、形式分析、数据整理。韩珠姬（Hanju Ko）： 文稿撰写——初稿撰写、可视化、研究、形式分析、数据整理、概念化。金亨坤（Hyeongkeun Kim）： 数据整理、形式分析、可视化。尹泰植（Tae-Sik Yoon）： 文稿撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的国家研究基金会（NRF）的支持（项目编号：RS-2024-00401234、RS-2024-00406006）。