10×10非晶InGaZnO忆阻器交叉阵列的特性研究及其在1T1M集成中的二进制神经网络性能表现

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Characterization of a 10 × 10 Amorphous-InGaZnO Memristor Crossbar Array and Its Binary-Neural-Network Performance for 1T1M Integration

本研究通过Mo/Al2O3/IGZO/Pd多层结构制备了10×10 a-IGZO被动交叉阵列及TFT，验证了a-IGZO作为1T1M统一材料平台的可行性。器件实现>1000 on/off比，500+循环耐久性，1V读取下稳定双极开关特性，并通过SPICE模拟验证主动矩阵配置的读取余量优势，为神经形态硬件开发提供新方案。

　　

摘要：

本研究报道了一种10×10阶无源非晶InGaZnO（a-IGZO）忆阻器交叉阵列的制备与特性分析，该阵列与a-IGZO薄膜晶体管（TFTs）结合使用，旨在实现基于选择器的“一个晶体管一个忆阻器”（1T1M）集成架构，用于类脑硬件系统。Mo/Al2O3/IGZO/Pd忆阻器表现出稳定的双极开关特性，这种特性通过电场驱动的氧空位重新分布来调控肖特基势垒的变化，从而在1伏电压下的导通/截止比超过，且循环寿命超过500次。在确保使用10伏SET脉冲将器件编程至低电阻状态（LRS）后，通过在1伏电压下持续约3600秒的时间窗口内评估器件的保持性能；其松弛行为通过拉伸指数函数进行量化，其特征时间常数约为秒。作为概念验证，利用该无源忆阻器阵列实现了4×4阶二进制字符分类，并采用差分多底电极方案进行读取，以量化传感裕度。此外，基于实测的TFT和忆阻器特性，通过SPICE仿真对假设的1T1M有源矩阵配置进行了分析，结果显示其读出裕度优于无源阵列的测量结果。这些结果证明了a-IGZO作为统一材料平台的可行性，既可用于选择器元件，也可用于忆阻器元件，并展示了其在构建可扩展、高能效类脑阵列方面的潜力。