面向神经形态计算的IGZO忆晶体管中HfAlOx中间层的组分工程及其缺陷介导的突触可塑性

《Journal of Materiomics》：Compositional engineering of HfAlO x interlayers for defect-mediated synaptic plasticity in IGZO memtransistors for neuromorphic computing

　　

展示了带有HfAlO_x中间层的三端IGZO忆晶体管。利用共溅射方法对中间层进行组分工程。精细调节Al/(Hf+Al)阳离子比获得了可靠的忆阻性能。成功模拟了缺陷介导的突触功能。高精度神经网络模拟展示了神经形态计算的潜力。

神经形态计算受生物神经系统功能与能效启发，已成为突破传统冯·诺依曼架构局限的重要计算范式。然而，双端忆阻器在规模化集成中面临需引入“晶体管-忆阻器”结构以抑制潜行电流的难题，导致电路复杂度和能耗增加。三端忆晶体管通过增设栅极端子实现独立电学调控，为构建高可控、高能效的人工突触提供了新思路。在众多沟道材料中，非晶铟镓锌氧化物因具有优异的可扩展性、与硅基CMOS工艺兼容及稳定的电学性能而备受关注，其固有的缺陷介导输运性质和可控氧空位动力学为阻变与突触功能实现提供了物理基础。然而，已报道的氧化物忆晶体管多依赖复杂的多层异质结构，且缺乏对阻变行为的系统性组分调控手段。为此，本研究在IGZO沟道与漏电极之间引入共溅射制备的HfAlO_x（HAO）中间层，通过调节Al/(Hf+Al)阳离子比例，系统研究氧空位浓度与阻变特性之间的关系，并验证其在神经形态计算中的应用潜力。

研究人员制备了三端IGZO忆晶体管，利用HfO₂与Al₂O₃双靶共溅射形成厚度约3 nm的HAO中间层，将HfO₂靶功率在40–100 W间调节，使Hf/(Hf+Al)从32.0%增至68.6%，对应Al/(Hf+Al)从68.0%降至31.4%。优化的器件表现出超过10⁴的电流开关比、可编程的双极性阻变行为和改善的耐久特性。进一步地，研究人员利用栅极脉冲和漏极脉冲协同调制，在单一器件中实现了短时记忆与长时记忆的模拟，并通过基于实验提取参数的人工神经网络MNIST手写数字识别仿真，验证了该平台用于神经形态计算的潜力。论文发表在《Journal of Materiomics》。

此项研究采用的主要关键技术方法包括：射频磁控溅射沉积IGZO沟道与共溅射HAO中间层；X射线光电子能谱分析元素组分及化学键合态；透射电子显微镜与能量色散X射线光谱表征截面结构和元素分布；半导体参数分析仪与函数发生器完成直流电学表征和脉冲突触模拟；基于NeuroSim+框架进行MNIST手写数字识别仿真。

**3.1 器件结构与制备**
通过XPS分析不同HfO₂靶功率下HAO薄膜的O 1s和Hf 4f谱，发现Al含量升高时氧空位相关峰面积从24.5%增至10.6%？此处需注意：原文中氧空位比例随HfO₂功率增加（即Al减少）从24.5%降至10.6%，表明Al掺入增加氧空位形成。Hf 4f峰结合能随Al增加发生正向位移，证明Hf–Al–O混合键合环境的形成。研究人员据此确认组分工程可有效调控HAO中间层的缺陷态。

**3.2 电学特性**
对四种组分器件的I_D–V_D表征显示，V_set随HfO₂靶功率增加从4.8 V升至17.9 V，与氧空位浓度降低一致；I_LRS/I_HRS在80 W条件达到最大值1.5×10⁴。J–V特性分析和无电铸过程表明，阻变机理为氧空位场致迁移所导致的渐变型导电而非导电细丝。负向电压使氧空位向Ag电极迁移形成耗尽区，器件由LRS转向HRS；正向电压使其返回沟道区，恢复LRS。栅极电压从5 V增至30 V时，V_set由19.6 V降至4.4 V，开关比提高至10⁴，体现了三端结构在突触权重调控上的优势。耐久性测试显示300次循环内开关比稳定，之后出现退化，归因于应力诱导氧空位扩散与湮灭。

**3.3 突触行为模拟与MNIST识别**
通过改变擦除脉冲宽度和幅度，器件实现了从HRS到LRS的自发恢复动力学的连续调节，成功模拟STM和LTM。随后利用正/负VD脉冲结合固定VG完成LTP和LTD过程，脉冲宽度和数量可有效调控电导变化范围。将实验提取的非线性因子输入全连接多层感知器网络（400输入神经元，单隐藏层，10输出），训练60000幅MNIST图像并测试10000幅，结果表明5 s脉冲宽度获得86.44%的识别准确率，50脉冲和75脉冲条件下准确率约89.0%，而25脉冲时较低，证明优化脉冲参数可提升学习精度。

**讨论与结论**
研究讨论指出，氧空位浓度与分布是决定V_set和开关比的关键因素；Al掺入通过电荷补偿机制调节缺陷数量，三端结构则提供了额外的栅极调控自由度。结论部分可译为：研究人员展示了带有共溅射HAO中间层的三端IGZO忆晶体管并用于神经形态计算。他们系统研究了HAO组分与氧空位浓度对阻变特性的影响，发现Al与Hf比例及氧空位含量主导了V_set和I_LRS/I_HRS等关键参数。该忆晶体管表现出类比生物突触的短时与长时记忆行为，通过调控脉冲条件可有效调节易失性开关动力学与电导演化。MNIST手写数字识别仿真从系统层面验证了该平台用于神经形态计算的可行性。这些发现强调了缺陷与界面工程在实现高可编程忆晶体管中的重要性，为发展具有自适应与突触功能的新一代类脑计算系统提供了有前景的路径。