ZnO全光控忆阻器及其类突触行为

杨 静，卢焕明，叶羽敏，诸葛飞,3

(1.宁波大学 材料科学与化学工程学院，浙江 宁波 315211； 2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201； 3.中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心，上海 200031)

1 前 言

人脑包含约1011个神经元以及1015个突触[1]。突触是神经元间传递信息的关键部位，是生物大脑进行学习和记忆的最小单元。因此，类突触器件研究对于类脑智能的发展具有重要意义。忆阻器是代表电荷与磁通量之间关系的两端器件，虽具有电阻的量纲，但有着不同于电阻的非线性电学特性，其阻值会随流经它的电荷量发生改变，断开电流后仍能保持之前的阻态[2-7]。该特性与神经突触的传输特性(突触的连接强度会随信号刺激而变化)十分类似[8-13]，并且忆阻器是两端器件，结构简单，能耗较低，易于大规模集成。因此，忆阻器是模拟突触行为的较理想元器件。

目前，已有多种材料体系被用于构建忆阻型突触，主要包括金属氧化物[14-15]、金属硫化物[16]、有机材料[17-18]及二维材料[19-20]。其中，金属氧化物易于制备，与传统半导体工艺兼容性好，并且化学性质稳定，因此是制备高性能忆阻器件的理想材料之一。目前报道的忆阻型突触器件中，一般使用纯电信号或光电耦合信号调节忆阻器电导[21-24]，调节过程包含电场或电流驱动的离子或原子迁移，由此产生的器件微结构变化会导致器件性能变差。和电相比，光具有高带宽、低串扰、速度快等优势的同时不改变器件微结构。但是，目前使用全光信号对器件电导进行可逆调控的相关报道还很少[25-26]。因此，本研究首次在ZnO忆阻器中通过全光信号实现了器件电导的可逆调控，且光信号撤除后电导态仍具有非易失性，并进一步模拟了基本突触功能。本研究的全光控忆阻器有望应用于构建高性能类脑计算系统。

2 实 验

采用纯度为99.99 wt%的ZnO陶瓷靶材，在室温下，利用射频磁控溅射技术，在镀铂硅片(Pt/Ti/SiO2/Si)衬底上制备厚度为50 nm的ZnO薄膜。磁控溅射腔体本底真空度低于1.0×10-4Pa，采用高纯Ar气作为溅射气氛，气压为0.5 Pa，溅射功率为60 W，长膜前先进行10 min预溅射去除靶材表面杂质。最后，利用电子束蒸发设备，结合金属掩膜板，室温下在ZnO薄膜表面沉积10 nm厚的Au作为顶电极，电极直径为100 μm。对于沉积的ZnO薄膜，利用D8 Advance 型X射线衍射仪(XRD)表征其晶体结构，利用Lambda 950型紫外可见近红外分光光度计表征Au/ZnO/石英结构的光透射率。利用配备有单色光源(Omni-λ3007)的Keithley 4200-SCS半导体参数测试仪测试Au/ZnO/Pt器件的电学性能和光电性能。在测试过程中，底电极接地，光或电压施加在顶电极上。

3 结果与讨论

X射线衍射是研究薄膜晶体结构的重要手段。图1(a)所示为利用磁控溅射在石英衬底上沉积ZnO薄膜的XRD衍射图谱。从图可见，ZnO薄膜在2θ = 33.7°处有(002)面的特征衍射峰，表明样品为纤锌矿结构多晶薄膜。由于全光控忆阻器是利用光信号进行调制的，故电极应具备一定的透明度。本实验采用10 nm的Au作为顶电极，图1(b)为Au/ZnO/石英结构的光透射谱，在可见光波段(400～800 nm)平均透过率高于60%，可见用10 nm的Au作为顶电极可以保证有足够的光信号到达器件内部，调控器件的阻变行为。

图1 (a) 磁控溅射生长的ZnO薄膜的XRD图谱； (b) Au/ZnO/石英结构的光透射谱Fig.1 (a) XRD pattern of ZnO grown by magnetron sputtering; (b) transmittance of Au/ZnO/Quartz

器件结构的示意图见图2(a),图2(b)为Au/ZnO/Pt器件加光前后的电流-电压特性曲线。由于ZnO对可见光非常敏感，会不可避免地受到环境光照的影响，使器件初始处于高电导态，通过施加正/负电压或长波光照可将器件调制成低电导态，即器件需要一个初始化过程。初始化后，如图2(b)中的灰色曲线所示，器件在正负电压下都发生高电导态向低电导态的转变。由于ZnO薄膜的电子亲和势(4.2 eV)低于Au(5.1 eV)和Pt(5.65 eV)的功函数，从而在Au/ZnO和ZnO/Pt界面形成两个背靠背的肖特基结。当处于平衡状态时，沿两个方向穿过肖特基结的电子数相等，净电流为零。当施加偏压时，一个结处于反向偏置，而另一个结处于正向偏置。一般情况下，器件电导是由处于反向偏置的肖特基结控制的。此外，肖特基结的宽度主要由电离的氧空位的量决定，电离的氧空位越多，肖特基结越窄，反之越宽。肖特基结的宽度会影响隧穿电流的大小，进而影响器件的电导[25]。以施加正偏压为例，此时器件的阻变主要由ZnO/Pt肖特基结控制。在正偏压下，有净电子从Pt流入ZnO，部分电子被电离的氧空位捕获转变为中性氧空位，使肖特基结变宽，器件电导降低。用530 nm光照射30 s后，器件电流明显增加，如图2(b)中橙色曲线所示。这是因为光照后，ZnO中的中性氧空位被电离，随着电离的氧空位含量增加，肖特基结的宽度变窄，导致电流上升。此外，光照下部分光生电子直接进入ZnO导带，从而增大电流。

图2(c)为器件在530 nm光照下的光响应特性。光照后，器件从低电导态转变为高电导态，撤光后，高电导能长时间保持。与电信号的作用效果类似，Au/ZnO/Pt器件也可通过光照从高电导态转变为低电导态。如图2(d)所示，对于高电导态器件，施加650 nm光照可以逐渐降低电导。为进一步研究电导降低程度跟光波长的关系，用530 nm光将器件调至高电导态后，施加不同长波长光照射，结果如图2(e)所示。与无长波光照相比，600 nm光照仍然使器件电导增加，而650 nm和725 nm光照能使器件电导降低，并且波长越长，光抑制效果越差。因此对于该器件，使器件电导降低的最优波长为650 nm。在测试过程中，施加10 mV的电压读取器件电导，如前所述，器件电导由处于反向偏置的肖特基结控制，故此时电导的升高和降低主要取决于ZnO/Pt界面肖特基结。当用较长波长光照射处于高电导态的器件时，Pt电极中的电子会隧穿或越过肖特基势垒进入ZnO导带，与电离氧空位中和，肖特基势垒变宽，电导降低。基于以上结果，通过选择合适的波长即可实现器件电导的连续可逆调节。如图2(f)所示，利用50个530 nm的光脉冲可实现电导连续增加，之后利用50个650 nm的光脉冲可实现电导连续降低。实现电导的可逆调控是进行突触可塑性模拟的首要条件。

图2 (a)器件结构示意图；(b)加光前后电流-电压特性，灰色曲线在黑暗中测量，橙色曲线在530 nm光照30 s后测量；(c)530 nm光照下电导增加；(d)高电导态器件在650 nm光照下电导降低；(e)高电导态器件在不同长波光照射下的光响应；(f)50个530 nm光脉冲(宽度和间隔均为1 s)实现电导增大，50个650 nm光脉冲(宽度和间隔均为10 s)实现电导降低；光功率密度均为36 μW· cm-2，读电压10 mVFig.2 (a) Schematic illustration of the device structure; (b) current-voltage characteristics before (grey) and after (orange) light irradiation; (c) conductance increase upon 530 nm light exposure; (d) conductance decrease upon 650 nm light exposure; (e) photocurrent responses to illumination with light of various long wavelengths; (f) reversible tuning of conductance by applying fifty 530 nm light pulses (the duration and interval are 1 s) and fifty 650 nm light pulses (the duration and interval are 10 s); the light power density is 36 μW· cm-2 and the read voltage is 10 mV

一般来说，突触的连接强度与刺激信号的强度、频率等因素有关。因此，进一步研究了该器件的光功率密度依赖性及脉冲频率依赖性。图3(a)为不同光功率密度的530 nm光脉冲对器件电导变化的影响。从图可见，光功率密度越大，电导增加得越明显，且电导一开始变化较快，持续施加光脉冲后，电导增加变缓并逐渐达到饱和状态，这与生物中的学习饱和现象是一致的。在530 nm波长下，器件电导随不同光脉冲频率的变化趋势如图3(b)所示。从图可见，脉冲频率越高，电导上升越明显。同理，图3(c)和(d)分别给出了在650 nm光信号下，不同光功率密度及不同频率对器件电导的影响。研究结果表明，所用光功率密度越大，频率越高，电导降低效果越明显。

图3 530 nm光照下器件电导的(a) 光功率密度依赖性；(b)光脉冲频率依赖性；650 nm光照下器件电导的(c)光功率密度依赖性；(d) 光脉冲频率依赖性Fig.3 (a) Light power density dependence and (b) light pulse frequency dependence of device conductance upon 530 nm illumination; (c) light power density dependence and (d) light pulse frequency dependence of conductance upon 650 nm illumination

从生物学上讲，人类通过学习可逐渐掌握和理解一些东西，但随着时间的推移会产生遗忘，当再次接触到同一事物时，只需花较少的时间即可达到同一认知水平，这种现象被称为经验学习行为[27]。基于Au/ZnO/Pt全光控忆阻器，可以很好地模拟了这一行为，结果如图4所示。先利用530 nm光脉冲对器件进行训练，通过50个脉冲，使电导从32.88 nS增加到581.73 nS，对应人类的第一次学习过程；撤去光照后，电导逐渐衰减，开始时衰减较快，但随着时间的延长，衰减变缓，表现出长程可塑性，100 s后电导值降低至128 nS，对应于学习信息随时间推移的遗忘过程；当再次施加相同光脉冲时，仅仅需要18个脉冲，即可使电导值恢复至582.5 nS，对应人脑的再学习过程。

图4 经验学习行为模拟(a)学习；(b)遗忘；(c)再学习；所用光脉冲的脉宽和间隔均为1 s，光功率密度为36 μW· cm-2Fig.4 Simulation of experiential learning behavior using 530 nm light pluses (duration=1 s, interval=1 s, and power density=36 μW· cm-2) (a) learning; (b) forgetting; (c) relearning

本研究采用磁控溅射结合电子束蒸发技术制备了Au/ZnO/Pt忆阻器。通过改变光波长实现了器件电导的可逆调控。绿光使电导连续增加，红光使电导连续下降。利用以上特性，通过调整光脉冲参数进行了突触可塑性模拟。研究结果表明，该ZnO全光控忆阻器能很好地模拟突触中的长程增强与长程抑制、光功率密度依赖可塑性、频率依赖可塑性以及学习-遗忘-再学习的经验学习行为。