最近，全球著名綜合性學術期刊《Advanced Science》刊發了我院王興晟、缪向水教授團隊在高性能憶阻突觸器件研究中取得的最新成果，題為“HfOx/AlOySuperlattice-Like Memristive Synapse”，學校為論文第一和通訊單位，王興晟教授為論文通訊作者，博士生王成旭和毛格齊為論文共同第一作者。這也是王興晟教授課題組近兩個月内在憶阻器領域連續發表的第二篇《Advanced Science》重要研究成果，期刊影響因子16.806。
（詳見https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201446）
腦啟發（Brain-inspired）的神經形态計算被認為是一種極具應用潛力的計算架構，有望突破傳統馮·諾伊曼瓶頸。具有電導連續可調能力的憶阻器作為一種二端器件，具有結構簡單、功耗低、可微縮性好、CMOS工藝兼容等優勢，被認為是最有希望應用為神經網絡突觸的器件之一。根據基爾霍夫定律（Kirchhoff’s law）和歐姆定律（Ohm’s law），憶阻器Crossbar陣列可以在一步操作中完成電壓輸入向量和電導矩陣本身的向量矩陣乘法（Vector matrix multiplication, VMM）。
高效的突觸器件對憶阻器的基本要求是具有模拟型阻變（Analog switching）行為而不是二值型阻變（Binary switching）行為。然而，在氧空位導電絲型憶阻器中實現模拟式阻變行為并不容易，阻變過程中，氧空位導電絲通常會在電壓作用下突然形成或斷裂從而發生阻值的跳變。
圖：類超晶格憶阻器功能層設計及器件突觸特性
針對這一問題研究團隊提出了一種HfOx/AlOy類超晶格憶阻器，利用氧空位遷移勢壘更高的Al2O3原子層，在HfOx功能層中周期性地設置勢壘層來增強對氧空位遷移以及導電絲形成與斷裂的調控能力。類超晶格功能層參數優化後的器件表現出雙向模拟型阻變行為，直流多值調控下SET和RESET過程分别具有160階和62階中間阻态，且無跳變現象。器件具有出色的突觸特性，100 ns固定脈沖操作下能夠在20 ~120 μS之間實現100階電導的連續漸變調控，并且具有良好的突觸權重更新線性度和長時程突觸可塑性。通過卷積神經網絡驗證了器件突觸性能在神經網絡中的先進性，手寫字體識别率達到了94.95%。此外，器件具有高速操作能力能夠在30 ns固定脈沖下實現電導值的高線性連續漸變調控并且能夠穩定循環。通過導電機制拟合和第一性原理計算分析了器件的阻變機制。由于AlOy勢壘層對氧空位遷移和導電絲形成的限制作用，器件的阻變行為由類超晶格功能層中的多條弱氧空位導電絲主導，脈沖調節下具有導電絲數量、尺寸以及與下電極之間的距離三個可以緩變調節的因素，從而具有更多的中間狀态。該成果為憶阻神經網絡提供了一種重要的基礎器件。本論文憶阻器功能層類超晶格設計思想的提出，為憶阻器在神經形态計算中的多值調控和高效運用提供了理論基礎和器件設計指導原則。
該成果獲得了國家重點研發計劃項目（Grant No.2019YFB2205100）、湖北江城實驗室、湖北省先進存儲器重點實驗室的支持。論文信息：http://doi.org/10.1002/advs.202201446
