使用掺铂的HfO?/Al?O?双层堆栈与电阻式随机存取存储器（RRAM）实现人工突触

铂掺杂HfO?/Al?O?双层RRAM器件通过磁控溅射与原子层沉积制备，分析了其性能与机制。Pt掺杂约束氧空位分布，增强局部电场，使器件具有高开关比（2500）、对称I-V曲线及稳定电阻状态，模拟了突触的长时程增强与抑制特性，并通过仿真验证其在模式识别中的有效性。

　　

潘金燕|关良成|吴梦龙|郑正汉|周静|王振平|高云龙|林玉香

摘要

本研究制备了基于铂（Pt）掺杂的HfO₂/Al₂O₃双层的电阻式随机存取存储器（RRAM）器件，并对其性能及工作机制进行了分析。此外，还探讨了该器件在模拟人工突触方面的潜力。铂掺杂作用限制了氧空位的分布，增强了局部电场，从而改善了器件的I-V特性曲线的一致性，包括设定电压（SET voltage）和复位电压（RESET voltage）的均匀性以及电阻切换比。在不同工作状态下，还识别出了该器件的多种导电机制，为其作为神经形态学器件的应用提供了实验验证和理论基础。通过施加连续脉冲电压，我们模拟了该器件的学习能力，观察到了长期增强效应（long-term potentiation）和长期抑制效应（long-term depression），表明该器件具备与生物神经元相似的学习和记忆功能。进一步的模拟实验在模式识别任务中展示了良好的识别准确率。这些发现不仅证实了该器件具有稳定的模拟双极电阻可变切换特性，还为神经形态学器件的应用提供了有力支持，为构建更智能、更高效的人工突触系统奠定了坚实基础。

引言

近年来，神经形态计算技术的发展受到了广泛关注，因为它能够模拟人脑的并行处理和学习能力，有望彻底改变传统的计算架构[1]。人工突触是实现神经形态计算系统的核心，对于模拟生物神经网络中的突触连接至关重要[2]。在各种新兴技术中，电阻式随机存取存储器（RRAM）因其非易失性存储特性和可调电阻状态而具有巨大的潜力[3][4][5]。用于模拟人工突触的RRAM器件应具备连续、对称且可靠的多级电阻变化能力，并且需要具备高切换比、模拟电阻切换特性、优异的保持能力和高耐久性[6]。

为了满足这些要求，研究人员采用了多种方法来改善器件的导电性能，包括薄膜堆叠、界面量子点掺杂、脉冲激光处理、退火等。例如，在AlO_x中的激光调制利用了不同材料的选择性，实现了超低的设定电压（V_set/V_reset[7]。通过快速热退火（RTA）或金属化后退火（PMA）[8][9][10]，可以控制金属电极与氧化物电阻层之间的氧空位含量。堆叠结构和材料的选取也非常重要，Al₂O₃薄膜常被用作关键嵌入层，以阻止离子迁移，这得益于其较大的禁带宽度和较高的击穿强度[11,12]。这些方法显著影响了RRAM中的离子损失和电子传导机制。此外，HfO₂和Al₂O₃的高k值使它们成为替代SiO₂基材料的理想候选者[13]：双层介电结构不仅提高了高电阻值和低电阻值之间的切换比，促进了与CMOS的兼容性，便于大规模集成[14]，还能通过高k层/低k层堆叠抑制交叉阵列中的漏电流[15]，并且HfO₂/Al₂O₃堆叠提升了介电层的热稳定性[16]。界面掺杂还能改变与氧空位相关的电子缺陷能级，调控这些氧空位的形成和迁移[17]，与界面层结合使用时还能增强器件的切换稳定性[18]。如表1所示，Paul等人构建了HfO_x/Al:HfO_x/HfO_x的多层结构，并在掺杂层两侧引入了对称的HfO_x层，显著提高了LRS/HRS的统计均匀性和保持特性。Biswas等人在HfO₂下方引入了GST热增强层，并通过调节不同活性电极实现了低设定电压和低功耗的模拟开关行为，强调了热管理和电极/界面工程在降低功耗方面的关键作用[19]。Basnet等人系统比较了HfO_x/AlO_y和AlO_y/HfO_x双层结构，发现氧化物的排列顺序显著影响了导电细丝的形成、复位路径和漏电流行为，从而决定了器件的电阻切换模式和稳定性。基于上述研究，本文提出了一种不同于掺杂调节或热增强层的堆叠策略，在AlO₂和HfO₂之间引入了惰性贵金属Pt作为中间层，以空间限制氧空位的导电细丝[20]。

采用磁控溅射（MS）和原子层沉积（ALD）技术制备了Pt掺杂的ITO/Al₂O₃/Pt掺杂/HfO₂/Al RRAM器件，并将其与未掺杂的堆叠器件进行了对比。本研究重点关注利用Pt掺杂的HfO₂/Al₂O₃双层堆叠来实现人工突触的功能。铂金属的掺杂使得相应的金属氧化物具有较高的吉布斯自由能。

本研究利用Pt掺杂的HfO₂/Al₂O₃双层堆叠的RRAM器件来实现人工突触功能。首先，通过磁控溅射（MS）和原子层沉积（ALD）制备了由Pt掺杂的HfO₂薄膜组成的RRAM器件，其结构为ITO/Al₂O₃/Pt掺杂HfO₂/Al，并将其性能与未掺杂的堆叠器件进行了比较。铂金属的掺杂提高了器件的稳定性、一致性和耐用性，改善了其电阻切换特性。此外，作为金属，铂还能增强界面层的局部电场强度。通过深入研究这种RRAM器件的性质和机制，我们期望探索其在实现高效、稳健的人工突触系统方面的潜力。

此外，铂掺杂提高了电流-电压（I-V）特性的均匀性以及设定电压和复位电压，从而增强了电阻切换行为。同时，通过详细分析不同电压状态下器件的导电机制，深入研究了ITO/Al₂O₃/Pt掺杂/HfO₂/Al RRAM器件在神经形态应用中的操作和优化方法。通过模拟这些器件的学习行为（包括长期增强和抑制效应），证明了它们在模拟突触可塑性方面的能力。此外，我们还通过CrossSim模拟评估了人工突触在模式识别和认知计算中的性能，展示了其在实际应用中的潜力。结果不仅证实了这些器件具有稳定的电阻可变切换特性，还强调了它们在神经形态计算中的适用性。

实验部分

实验

在本研究中，所有器件的底部电极（BE）均由商用ITO/玻璃基板制成，尺寸为20×20×1.1毫米，片电阻小于6Ω，ITO层厚度为180纳米。彻底清洁ITO基板表面后，采用原子层沉积（ALD）技术制备了介电层材料HfO₂/Al₂O₃。ALD反应室的温度保持在275°C，使用三甲基铝（trimethylaluminium）等铝金属前驱体进行反应。

实验结果与讨论

图2(a)和(b)展示了D_A和D_B在100次连续切换循环过程中的I-V曲线。为确保实验结果的可重复性和严谨性，所有器件的电阻切换循环都采用了相同的电压扫描条件。直流电压扫描步长为0.02伏特，限流电流（compliance current，I_cc）为10毫安，以保护器件。设定偏压范围为0至-2伏特，然后恢复到0伏特。

结论

通过磁控溅射（MS）和原子层沉积（ALD）制备的Pt掺杂HfO₂/Al₂O₃双层器件展现了优异的双极电阻切换和突触特性，适用于神经形态计算。铂掺杂降低了工作电压，调节了氧空位的分布，增强了电场强度，实现了2500的电阻切换比，从而降低了功耗并提高了能源效率。这些器件在脉冲电压下能够模拟长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）学习规律，CrossSim模拟结果也证实了这一点。

作者贡献声明

潘金燕：撰写、审稿与编辑。关良成：数据整理。吴梦龙：数据可视化。郑正汉：结果验证。周静：研究指导。王振平：研究实施。高云龙：资金筹集。林玉香：初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢福建省自然科学基金（项目编号：2024l0019、2022J01061）、福建省海洋与渔业产业高质量发展专项基金（项目编号：FJHYFZH-2023-05）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515011682）的支持，以及集美大学微纳半导体研究中心的重要技术支持。

潘金燕、关良成、吴梦龙、郑正汉、周静、王振平均来自中国厦门集美大学海洋信息工程学院，邮编361021。