文| 木易

编辑| 古木的茶

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近年来，非结构化数据（例如视频、图像、声音和可移植文档格式文件）的数量持续增加，导致处理的数据量显著上升。为了有效地应对这一海量数据，更快速的数据处理和低功耗变得十分必要。

传统的冯-诺依曼结构计算系统面临瓶颈，因为中央处理和存储单元的串行操作导致数据处理速度较慢。与之不同的是，基于并行深度学习算法的神经形态计算系统已经受到广泛研究，旨在克服冯-诺依曼结构的限制。

关于双端（2T）存储器件、相变存储器和铁电随机存取存储器的研究日益兴起，因为它们具备简单的结构和高集成密度的特点。

尽管先前提出的2T突触器件存在一些问题，例如电导突变、较小的开关比、阵列内的潜在电流问题以及读取干扰，这些问题降低了系统的精度。

研究人员提出了一种基于3T结构的突触装置。根据以往的研究，通过调整施加的栅极偏压，可以有效地控制3T氧化-电阻存储器（Ox-ECRAM）通道层的氧浓度。

在施加正栅极偏压时，氧离子会被吸引到氧贮存器中，从而增加通道层中氧空位的浓度，导致电导率升高。相反，在施加负栅极偏压时，氧从氧贮存器迁移到通道层（凹陷），从而降低通道层的电导率。

相较于2T突触设备，3T ECRAM表现出显著改善的突触特性，如低功耗操作、更大的开关比、线性电导率调制、更可靠的数据保持性能和卓越的耐久性。

在众多类型的ECRAM中，基于氧化物离子的ECRAM（Ox-ECRAM）由于采用了互补金属氧化物半导体制造工艺，具备许多优势。虽然Ox-ECRAM在突触特性方面有多项改进，但其工作机制仍未充分阐明，需要进一步深入的研究。

结果和讨论

我们采用垂直设计，包括源极（使用TiN制造）、漏极（同样使用TiN制造）、沟道（采用WO3制造）以及栅电极（使用W制造）。

在储氧器方面，可以选择使用由钽制成的2O5或者Al2O3。这种垂直设计显示出高密度集成和大规模生产的潜力，制造流程和示意图如下图所示。

为了验证其功能，我们制造了一个没有储氧层的3T Ox-ECRAM（被称为单层）。

该Ox-ECRAM由源极（使用TiN制造）、漏极（同样使用TiN制造）、沟道（采用WO3制造）以及栅电极（使用W制造）组成，如下图所示。

与以往的Ox-ECRAM相比，这个单层的制备显示出与以往相反的操作特性：在正栅极偏压和负栅极偏压下观察到增强和抑制。

这是因为单层具有比横向电阻（源极和漏极之间的电阻，RL）更低的垂直电阻（栅极和源极之间的电阻，RV）。

为了验证这一效应，我们通过两种方式测量电导率变化（权重更新曲线）：横向电导测量（在施加栅极偏压后读取源极和漏极之间的电导，GL）和垂直电导测量（在施加栅极偏压后读取栅极和源极之间的电导，GV），如下图所示。

该图示出了这两种测量方法的示意图。读取偏压（Vread = 0.5 V）分别用于垂直和横向电导测量。对于横向电导测量，脉冲偏压被施加到栅极，同时源极和漏极被用作公共地。

因此，两种测量方法显示出类似的权重更新曲线，验证了在读取沟道电导时栅极泄漏干扰的存在。从单层的权重更新曲线中，我们总结出了突触的特征，如下图所示。

开/关比被定义为最大电导和最小电导之间的比值，为1.78。在考虑到所有电导水平后，线性度可以通过两种增强（αp）和抑制（αd）的值来定义，即1 /（1 + S）。

单层显示出相对较差的突触特性，这明显表明需要采取措施来防止栅极泄漏干扰，以实现可靠的3T Ox-ECRAM突触特性。为了防止栅极泄漏干扰，我们引入了较厚的WO3层以增加垂直电阻（RV）。

尽管这种增加的厚度大约为四倍，但并没有完全消除栅极泄漏干扰。因此，在沟道层和栅电极之间引入了氧储存层，以进一步改善突触性能。

存在两种类型的氧储存器，分别为Ta2O5和Al2O3。为了比较这两种氧储存层，我们将双层Ox-ECRAM分别命名为"双1"和"双2"，其中分别使用Ta2O5和Al2O3作为氧储存层。

与单层Ox-ECRAM类似，双层1和双层2都采用了垂直结构，如下图所示。为了分析制造的结构，我们进行了一些物理分析，包括透射电子显微镜（TEM）、能量色散谱（EDS）图像和线轮廓。

分析结果证实成功制造了垂直双层结构。两种制造的双层器件的垂直电阻（RV）约为横向电阻（RL）的10倍。

与单层Ox-ECRAM不同，在施加正栅极偏压和负栅极偏压下分别观察到了增强和抑制。这些结果明确表明，栅极泄漏会干扰沟道电导的读取过程。

如下图所示，双层1（使用Ta2O5）显示出较高的RL与双层2（使用Al2O3）相比。为了进行定量分析，我们进行了X射线光电子能谱（XPS）测量。

XPS光谱显示了一个宽峰，可以通过解卷积成三个独立的峰：W-O键峰、氧空位和化学吸附的氧物种。

考虑到每种材料的性质（Al2O3 < Ta2O5 < WO3），在双层2中，沟道层可以吸收更多的氧离子，从而在氧储存层（Al2O3）沉积期间形成界面氧化物层。

双层2中的氧空位密度（63.96%）比双层1（23.33%）更高，导致双层2的横向电阻（RL）更低。

对于这两种双层Ox-ECRAM，我们进行了增强和抑制试验来评估它们的突触特性，如下图所示。与单层相比，双层1和双层2都表现出改善的突触特性，例如更高的开关比和接近理想的线性特性。

Double 1表现出0.97的增强线性（αp）和0.87的抑制线性（αd），而Double 2则显示出0.98的增强线性（αp）和0.82的抑制线性（αd）。

为了验证Double 1和Double 2的工作机制，我们进行了循环伏安法（CV）实验，在栅极和源极之间进行电压扫描。

为了更清楚地观察，Double 1和Double 2都采用了较大的图案（直径为300微米的圆形图案）。根据CV的结果，可以解释操作机制，即通过调控沟道层的氧离子掺杂和去掺杂来实现。

在正栅极偏压或负栅极偏压下，氧离子分别从沟道层去掺杂或掺杂到氧贮存层。因此，CV的峰值电流（Ipeak）随着电压扫描速率的增加而增加。基于Randles-Sevcik方程，图中显示的Jpeak与扫描速率的平方根成正比。

这些结果表明，施加的栅极偏压会吸引氧离子，从而改变沟道层中的氧浓度，从而改变了沟道层的电导。

根据图示，从CV中提取的总电荷量显示Double 1明显高于Double 2。这表明在Double 1中，栅极施加的偏压可以调制更多的氧离子。因此，Double 1显示出比Double 2更大的开关比。

为了评估储氧器对可靠性的影响，我们进行了耐久性和保持力测试，如图中所示。在室温下对六种不同的电导状态进行了100秒的保持测试。

测试结果显示，在100秒后，Double 1的保持能力显著下降，而Double 2则保持相对稳定。在写入过程中，氧离子可以从沟道层迁移到氧贮存层。然后，这些迁移的氧离子需要留在氧贮存层中。

然而，由于储氧层和沟道层之间的浓度差异，储氧层中的氧离子可以重新迁移到沟道层。这种现象被称为自扩散效应，它会影响Ox-ECRAM的保持特性。

我们还使用优化的脉冲条件进行了20个周期的耐久性评估（Double 1和Double 2每个周期分别为60和100个脉冲），如图所示。Double 1表现出不稳定的耐久性，其最大电导水平存在波动。

为了更准确地验证这一点，在总共20个循环中，我们对选定的10个脉冲数下的电导值进行了统计重新绘制，如图所示。与Double 1相比，由于Al2O3储氧层，Double 2表现出显著改善的耐久性。

基于以上研究，我们提取了活化能（Ea）并绘制成图表。根据等式3，我们可以看出Ta2O5和Al2O3层比电解质更能够储存氧。

双层1（使用Ta2O5）显示出较低的活化能（0.31 eV），而双层2（使用Al2O3）显示出较高的活化能（0.97 eV）。

这意味着在双层1中，氧离子比在双层2中更容易迁移。这导致双层1中的操作脉冲的幅度和宽度较低。活化能可以被认为是离子迁移的势垒能量。

这些结果也与双层1的不稳定可靠性相关。由于双层1具有较低的离子迁移势垒能量，在增强过程中吸引到氧储存库的氧离子可以被释放并返回到沟道层中（自扩散效应）。因此，双层1比双层2表现出较差的保持特性。

就耐久性而言，在保持期间发生了重复的增强和抑制操作，导致耐久性出现波动。这表明氧库的离子迁移势垒能量可以显著影响突触装置的可靠性。

因此，为了实现更可靠的突触特性，必须采用具有更高离子迁移势垒能量的储氧器。

为了验证Ox-ECRAM在系统级上的影响，我们进行了一个图像识别的模拟实验，采用由四层神经网络构成的结构。每个神经元通过突触装置连接到其他节点。

模型中考虑了简化的突触特性，即增强/抑制线性（αp和αd）。我们使用修改后的MNIST数据集（28x28像素）作为输入图像。

在图表中，当理想情况下的准确率为95.59%时，双层1和双层2的图像识别准确率分别约为93%。与单层相比，这两种双层都表现出了显著提高的准确性。

在可靠性方面，具有较高离子迁移势垒能量的双层2表现出更稳定的特性。

结论

通过对比三种不同的突触装置，即单层、双层1和双层2，我们研究了储氧层的影响。在3T Ox-ECRAM中，我们发现氧储存层在评估沟道电导时的作用至关重要，尤其是在没有栅极泄漏干扰的情况下。

这意味着氧储存层不仅可以防止垂直漏电流的发生，还可以通过在氧储存层和沟道层之间吸收和释放氧离子来调节沟道层的电导性能。

氧储存层的离子迁移势垒能量与Ox-ECRAM的可靠性密切相关。更高的离子迁移势垒能量可以导致更稳定的数据保持和更一致的耐久性。这些研究结果成功地证明了氧储存层在Ox-ECRAM中的重要作用。

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