一种基于Hf0.5Zr0.5O2的低功耗薄膜忆阻器，可实现布尔逻辑运算与类脑计算

《Materials Today Chemistry》：A low-power Hf 0. 5Zr 0. 5O 2-based thin-film memristor enabling boolean logic operations and brain-inspired computing

　　

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  基于Ag/HZO/Si结构的忆阻器采用原子层沉积（ALD）工艺制备。所提出的器件阈值功耗低至3 μW/1.8 μW，变异系数低至0.17%/2.5%。
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  所提出的器件可在较小的编程电压（?1.5 V至1.5 V）下进行10²次循环的双向、非易失性电阻切换行为，具备2×10³次循环的耐久度、10⁴ s的数据保持时间和突触调制功能。
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  使用HZO基器件演示了"或非"和"与非"门的布尔逻辑运算，并在脉冲模式下进行了四位二进制编码的逻辑仿真。
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  构建了用于迭代训练的卷积神经网络（CNN）框架，基于HZO基器件的突触权重迭代特性实现了高达99.04%和98.15%的训练和测试识别率。
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  利用长期增强（LTP）和长期抑制（LTD）的权重迭代曲线，实现了基于图像信息编码、特征提取和模式识别的人脸识别任务，最终获得了高达77.63%的激活率。

引言

随着人工智能和边缘计算驱动的信息技术快速发展，对存储硬件信息处理效率的要求日益提高[1,2]。众所周知，基于传统冯·诺依曼架构的计算范式依赖于模块化的、分离的存储与处理器结构，这导致了频繁的数据传输，造成高延迟和高能耗，从而限制了系统在进行大规模并行数据处理时的性能[3,4]。受人脑信息处理机制的启发，集存储和计算于一体的忆阻器已成为克服传统计算架构瓶颈的有前景的范式。由于结构简单、集成密度高、可扩展性优异以及与当前互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的兼容性，忆阻器引起了研究界越来越多的关注[5, 6, 7]。

电阻切换层材料的选择一直是忆阻器研究的关键焦点。基于HfO₂的氧化物[8,9]是一种长期研究的功能材料，因其优异的可扩展性、兼容性和半导体电学性能而受到广泛关注。值得注意的是，Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）是一种通过将Zr掺入HfO₂而得到的复杂金属氧化物，在合成过程中其本征晶体结构和内部缺陷得到了优化，从而促进了其在电子设备中的潜在应用[10,11]。因此，此前的研究表明，基于HZO薄膜功能层的忆阻器表现出优异的可编程电学特性（多电阻态调制、突触功能），与未掺杂薄膜相比，其器件性能有了显著提升。

除了数据存储外，忆阻器的可编程电学特性使其能够在器件层面直接实现逻辑运算以及信息感知和处理。对于存内逻辑，忆阻器的电阻态可以编码二进制信息，而通过适当调节这些状态可以实现布尔逻辑运算。因此，这种方法提供了一种节能的计算架构，利用单个器件执行逻辑运算，避免了存储单元和逻辑单元之间数据传输所带来的延迟和能耗开销[12]。此外，作为与生物突触在结构和功能上具有相似性的神经形态计算器件，忆阻器通过其可调的突触权重特性为类脑信息感知和处理提供了物理基础。具体来说，忆阻器件能够动态响应输入信号，并在统一的器件架构内完成其编码、存储和处理[13]。

在本研究中，我们利用基于Ag/HZO/Si结构的低功耗忆阻器，研究了其电阻切换特性和多功能应用。得益于原子层沉积（ALD）制备的高质量HZO薄膜，所提出的HZO基器件在低编程电压（?1.5 V至1.5 V）下展现出稳定的双向、非易失性电阻切换特性，超过100次循环，变异系数低至0.17%/2.5%，阈值功耗低至3 μW/1.8 μW，耐久度达2×10³次循环，数据保持时间为10⁴ s，并具有可调的突触权重调制特性。电阻切换机制可以合理地归因于电场驱动的导电细丝的形成和断裂。在此基础上，在适当的驱动电压条件下，使用单个器件演示了"或非"和"与非"门的布尔逻辑运算。此外，利用与长期增强（LTP）和长期抑制（LTD）相关的突触权重调制，我们执行了基于卷积神经网络（CNN）的识别训练和人脸识别任务。本工作展示了HZO薄膜忆阻器的多功能应用潜力，并为集信息感知、存储和计算于一体的紧凑电子系统提供了有效解决方案。

章节摘要

结果与讨论

基于Zr₀.₅Hf₀.₅O₂（HZO）薄膜的器件的结构和化学性能通过透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）进行了系统表征。使用聚焦离子束（FIB）刻蚀获得器件的截面，如图1a所示。在TEM图像中可观察到基于Ag/HZO/SiO_x/Si的器件结构。通过原子层沉积（ALD）生长的HZO薄膜显示出相对均匀的

结论

总之，我们利用并系统研究了基于HZO的低功耗忆阻器，用于布尔逻辑运算和类脑计算。HZO基器件可在较低的编程电压（?1.5 V至1.5 V）驱动下进行10²次循环的双向非易失性电阻开关行为，阈值功耗低至3 μW/1.8 μW，变异系数低至0.17%/2.5%，耐久度达2×10³次循环，数据保持时间为10⁴ s，并具有突触功能。其物理机制的

CRediT作者贡献声明

于天启：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，项目管理，方法论，调查研究，正式分析，概念设计。李杰：撰写——审阅与编辑，方法论，概念设计。张正祥：可视化。宋鹏：软件，数据整理。许俊：监督，项目管理。张鹏展：数据整理。王磊：撰写——审阅与编辑，数据整理。赵志伟：撰写——审阅与编辑，方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到江苏省高校基本科研业务费用专项资助项目（自然科学）（编号：22KJA510009）、江苏省基础研究计划前瞻性研究项目（编号：BK20192003）、江苏省国际科技合作项目（编号：BZ2022008）、金陵科技学院高层次人才科研启动基金（编号：jit-b-202110）、国家重点研发计划（编号：2022YFE0139100）的资助。

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