中子辐照对基于Ag:Ta2O5的高速阈值切换忆阻器的影响

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Neutron Irradiation Damage Effects on the Ag: Ta2O5-Based High Speed Threshold Switching Memristors

辐射环境下Ta?O?:Ag阈值切换忆阻器性能退化机制研究。通过中子源辐照实验发现，随着中子通量增加（达4.5×1012 n/cm2时），器件阈值电压升高1.58 V，开关时间延长至42 ns，但保持电压和导通比基本稳定。PSpice仿真表明，辐射诱导的银间隙原子和氧空位缺陷抑制了银离子迁移，导致LIF神经元突触发放频率显著下降。研究成果为抗辐射类脑芯片设计提供了理论支撑。

　　

摘要：

阈值开关（TS）忆阻器因其易于集成、高密度和低功耗等优点，已成为脑启发式芯片中人工神经元的有希望的候选者。然而，在航空航天应用中，它们的性能容易受到辐射的影响而退化，这对脑启发式芯片的可靠性构成了威胁。目前，TS忆阻器特性的辐射退化规律和机制尚未完全明了。在本文中，我们首先基于中子源研究了Ta?O?:Ag基TS忆阻器的辐射损伤规律和机制。然后使用PSpice软件模拟了中子辐照对这些设备所支持的“泄漏积分-放电”（LIF）神经元放电频率的影响。结果表明，随着中子辐照剂量的增加，忆阻器的保持电压、高阻态以及开关比基本保持不变，而阈值电压增加，开关速度降低。当中子辐照剂量达到4.5×1012 n/cm2时，忆阻器的阈值电压和开关时间分别增加到1.10~1.58 V和39/42 ns，这使得LIF神经元产生放电频率的条件变得更加严格。X射线光电子能谱分析显示，设备性能退化的主要原因是辐照诱导的银间隙原子和氧空位缺陷抑制了银离子的迁移。这些研究结果为开发抗辐射的高速忆阻器基神经元和脑启发式芯片提供了支持。