一种神经形态有机忆阻器件制备工艺优化研究

陈鑫辉，刘子坚，王宇轩，余红娟

（金华职业技术学院，浙江金华 321007）

现阶段，中央处理器（central processing unit，CPU）发展迅速，而存储器发展减缓，使得CPU 和存储器之间数据移动速度受限于存储器，无法完全发挥计算机性能。忆阻神经网络电路架构能将处理和存储功能融合、模拟神经元和突触实现人脑的信息处理方式和学习推断功能。因此，研究具有高集成度、尺寸可缩性、仿生特性等特点的突触器件[1]已成为主流趋势，那么构建高性能计算架构也是未来发展的必然趋势。

忆阻器作为非线性记忆电阻，不仅有着突触功能，还拥有许多优势特性[2]，如忆阻器速写速度快、低功耗、非易失性存储和尺寸可缩性。目前在新型存算一体架构和神经形态计算等领域[3-4]呈现广阔的应用前景和潜力，学术界对突触类器件的研究主要集中在忆阻器上。

传统忆阻器具有较好的电学性能，但生物兼容性差。鉴此，本文以α，β-COTh-Ph-OMeTAD 有机物作为阻变层材料，通过不断调整烘烤温度、匀胶机转速、溶液浓度、衬底等实验变量，确定制造工艺，拟制备具有生物兼容性好、稳定阻变和良好线性度的忆阻器。

1 忆阻器机制原理

荷控型忆阻器由金属和阻变层构成，结构为金 属— 阻 变 层— 金 属（metal insulator metal，MIM）。忆阻器在电压持续作用下，阻值会从低阻态连续转变为高阻态或从高阻态连续转变为低阻态。忆阻器内部可等价为掺杂区（阻值为Ron）和非掺杂区（阻值为Roff）两部分，电流作用下，掺杂区域变大，使忆阻值M（t）变小，当掺杂区最大时，忆阻值为低阻态；改变电流作用方向，非掺杂区域变大，忆阻值M（t）变大，当非掺杂区最大时，忆阻值为高阻态。忆阻值在调控过程中撤去电压后，具有阻值保持不变的特性，其在电流的作用下，伏安特性曲线可用式（1）表示：

其中，w（t）表示掺杂区长度函数。式（1）中掺杂区长度关于时间的函数如式（2）所示：

式（2）中，μv表示忆阻器的离子迁移速率，D表示器件长度。对式（2）进行积分操作可得：

式（3）中，wo为掺杂区初始位置，q(t)表示电荷函数。对式（1）两边除以i(t)，将式（3）代入式（1）可得：

因为Ron≪Roff，Ron/Roff≈0，且设w0=0，因此，将式（4）简化为：

忆阻器作为两端无源器件，突触两端可分别被映射为忆阻器件的两个电极，施加在忆阻器上的脉冲可等效为神经元刺激信号。用忆阻值来模拟突触权重值，当器件为低阻态时，突触处于兴奋状态；当器件为高阻态时，突触处于抑制状态。通过改变输入脉冲的频率和幅值来调控忆阻值，类似于用不同神经刺激信号来调控突触功能，结合忆阻值的非易失性，这种用电压调控得到不同电导态的过程对应生物学上的突触可塑性。

2 工艺优化

有机忆阻器常用制备工艺可分为五步。

第一步，切割基片：用切割刀在商用高阻硅片或氧化铟锡（ITO）上切割出1 cm×1 cm尺寸。

第二步，清洗基片。分别用工业乙醇和甲苯超声清洗基片10 min，将基片上不易溶解杂质去除，随后用镊子取出基片，并用去离子水冲洗，再用氮气吹走基片表面液体。

第三步，底电极生长。在室温下将清洗后的基片放入磁控溅射系统的样品台上，用机械泵对样品腔抽气，将原先腔内的标准大气压抽至腔内压强低于5×10-5Pa，再往腔内通入纯氩气，并将磁控溅射系统的直流线连接样品腔，调整电源功率至20 W，溅射10 min，生长金属铂底电极。

第四步，薄膜生长。将基片放置在匀胶机中心，打开机械泵使基片牢固吸住，设置匀胶机不同转速及对应时间，基片旋转过程中通过移液器把阻变层溶液滴于基片中心，起初设置低转速使溶液覆盖整个基片，之后高转速使溶液变均匀、变更薄，最终得到均匀分布的阻变层薄膜。

第五步，顶电极生长。在基片表面覆盖定制机械掩膜板，放置在磁控镀膜系统中的样品台上，用机械泵对样品腔抽气，将原先腔内的标准大气压抽至腔内压强低于5×10-5Pa，往样品腔内通入纯氩气，使样品腔内压强稳定在0.9 Pa～1.0 Pa，在室温下用20 W的交流射频，溅射Pt金属靶材，沉积Pt薄膜（防止因功率过大，铂溅射进入薄膜中，影响器件性能）。

本文所提方案主要针对忆阻器阻变层进行工艺改良。有机物α，β-COTh-Ph-OMeTAD为淡黄色粉状固体，需用氯仿溶解形成5 mg/mL浓度溶液，经匀胶机3000 r/s 恒速旋转后形成薄膜，但该薄膜不够坚硬，不利于后续电学测试，因此本文考虑采用烘烤箱160 ℃烘烤8 h，使器件阻变层硬化，如图1所示，从而进一步稳定性能。

图1 烘烤法优化器件

制备的器件存在膜薄在电学测试时容易被击穿的问题，由于金属铂表面氧基团少，对溶液吸附力不够，故降低烘烤温度，更换为ITO 衬底，增加氧离子与阻变层的吸附，提高阻变过程中电阻比。实验结果表明ITO 衬底旋涂形成薄膜均匀性更优（图2），但中间部分仍易出现薄膜较厚的情形。

图2 ITO衬底与Pt衬底

最后，经不断实验调整，改良后工艺为采用13 mg/mL 浓度，在ITO 衬底上旋涂，将衬底放置于匀胶机中间，并用真空泵吸附牢固，旋涂时转速先到1 500 r/s，用移液枪滴溶液（减慢移液枪滴落速度），然后转速到2 500 r/s 再到5 000 r/s，分别设定旋涂时间为5 s、10 s、45 s，旋涂后，用氯仿擦一条底电极，60 ℃烘烤8 h。图3（a）为工艺改进前旋涂薄膜，图3（b）为工艺改进后旋涂薄膜。

图3 增大阻变层材料浓度

3 性能测试

忆阻器样品制备完成后，需对其进行一系列电学性能测试及物理结构表征，其中涉及多个仪器设备。将样品放置于黑色降噪箱包装的低温探针台上（如图4（a）所示），根据实验需要，选择指定针具连接样品，然后用示波器（如图4（b）所示）观测施加波形，用半导体综合参数分析仪（如图4（c）所示）施加脉冲、直流电、扫描电压等，测试样品的循环性、耐受性、保持性、I-V曲线等基本电学性能。

图4 器件测试与表征流程中相关仪器

设置正向扫描电压为0 V～2 V，用半导体综合测试仪测试不同电压下的电流值，如图5（a）所示；同样地，负向扫描电压为0V～1.6 V，每隔0.04 V 读取一个数据，测得实时I-V 曲线，如图5（b）所示。实验结果表明优化后器件具有良好的阻变效果，正电压使忆阻器从高阻态转变为低阻态，负电压使忆阻器从低阻态转变为高阻态，忆阻值变化规律与式（5）相吻合，验证了阻变机理的正确性。

图5 器件电学性能测试

学习记忆效应包括长时程增强可塑性、长时程抑制可塑性，是实现神经网络的必要特性。故对忆阻器分别施加脉宽为2 s，幅值分别为1 V、2 V、3 V、4 V 的电压，观察学习效应，如图6（a）所示；之后重复0 V～0.5 V 扫描电压，使电阻逐渐增加，直至电阻增加到高阻态，观察遗忘曲线，如图6（b）所示。实验结果表明，忆阻器具有较好的突触可塑性，能完成基础的突触功能。

图6 器件突触可塑性测试

4 结论

本文提出一种具有神经形态特性的有机忆阻器制备方法并进行工艺优化，利用有机物材料具有的生物兼容性和成本低等特点，其具备稳定阻变和低功耗。在B4200 半导体综合参数测试仪下，对所制备器件进行验证分析，实验结果表明，所制备器件具有良好的突触可塑性和明显阻态变化，与传统忆阻器相比较，有机忆阻器具有更好生物兼容性等。