Ag/SiOx:Ag/TiOx/p++-Si忆阻器件中优化模拟开关与突触功能

图2a展示Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器半对数坐标I-V曲线。0 V→+4.0 V→−4.0 V→0 V扫描偏压下，测得I-V曲线显示夹持磁滞回线，是忆阻器指纹特征。Ag TE施加正偏压时电流逐渐增至顺从电流限制（I_cc），器件电阻态从高阻态（HRS）转变为低阻态（LRS），称“SET”过程。施加负偏压时电流减小，电阻态从LRS回到HRS，称“RESET”过程。表明器件导电率可随正/负扫描偏压调制，表现双极电阻开关行为。有趣的是，在重复电压扫描0 V→+2.1 V或0 V→−2.1 V下，器件电流连续增减（图2b），而非高电压下SET/RESET过程电流突增/骤减。电流电压随时间关系（I-V-t）绘于图2b内嵌图，更清晰显示电导变化。如生物突触，连续正（第1-5次）和负（第6-10次）I-V曲线部分实施后观察到明显器件响应：电流下-上或上-下演化。正/负电压扫描电流连续增减表明器件电阻可经直流扫描模式调制。且每次后续正/负扫描I-V曲线从上次结束处继续，显示忆阻器典型模拟开关特征。在+0.3 V读出电压下实施更宽双极扫描电压可评估忆阻器耐久性（图2c），显示器件在10³次循环中SET/RESET操作稳定均匀运行于LRS和HRS间。

忆阻器也可在脉冲信号而非直流扫描电压下操作。图2d显示实施重复增强（正偏压）和抑制（负偏压）脉冲后器件响应呈增强/抑制形式。增强/抑制脉冲幅度分别为+1.2 V和−1.2 V，脉冲宽度和间隔固定5 ms。明显器件电导调制无论正/负脉冲偏压均可观察到，类似生物突触在增强/抑制刺激下增强/抑制响应。器件响应可随刺激脉冲数循环调整，表明极性无关的稳定均匀增强抑制可模拟电子突触权重调整和记忆增强[30]。

为理解开关行为，通过拟合I-V特性分析导电机制。为此制备独立SiO_x:Ag薄膜基忆阻器Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si。图3a显示器件准直流电压扫描响应表现典型阈值开关行为，如前报道[29,31]。箭头方向显示器件可在两态间循环作为易失性存储器。但Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器I-V曲线情况截然不同。图3b显示器件在I-V曲线正负部分表现LRS和HRS双极开关行为，但工作电压相对较高。图3c展示Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器I-V曲线，以正区数据拟合Ln(I)对Ln(V)的HRS和LRS。拟合结果显示HRS电荷传输行为符合经典陷阱控制空间电荷限制电导（SCLC）机制，含三部分：欧姆区（I/V）、Child定律区（I/V²）和陡峭电流增区[32]。LRS线性行为斜率=1表明优异欧姆行为（图3c）。HRS和LHR不同导电行为由LRS导电Ag丝形成证实[32]。图3d进一步支持电阻开关由导电丝形成/断裂引起。可见LRS与器件单元尺寸无关，HRS与单元尺寸成正比。LRS尺寸无关特性典型见于导电丝基存储器件[33]。因此结论：Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器电阻开关现象典型源于正/负偏压下导电丝受控形成/断裂。电导渐变可能源于电场下TE与BE间侧向间隙横截面变化，与其他报道吻合[34]。器件总电阻按等效电路描述为R=R_ij=V/I，R_ij定义为TE与BE间导电丝侧向间隙尺寸相关电阻。因此若通过适当编程偏压调节TE与BE间Ag CF尺寸调整此间隙，忆阻器件导电或电阻可渐变调节。

图4呈现相应物理模型解释独立SiO_x:Ag和SiO_x:Ag/TiO_x基忆阻器件开关机制。SiO_x基单元Ag纳米颗粒行为可基于电化学反应（Ag离子和Ag原子迁移累积）在双极电极间解释，类似前报道[22,35]。扫描电压施加时Ag纳米颗粒进一步生长桥接电极间隙，电流突增至顺从水平，忆阻器开启为LRS（图4a中间面板）。移除电偏压后早期形成桥接的拉长Ag纳米团簇迅速收缩[22]，器件回HRS（图4a最后面板）[35]，表明忆阻器双极阈值开关行为可在两态间循环如易失性存储器件。

SiO_x:Ag/TiO_x基忆阻器情况截然不同。SiO_x薄层高带隙（~9 eV）低介电常数（~3），TiO_x层低带隙（~3 eV）高介电常数（~40），使SiO_x层电场高于TiO_x层，溶解更多开关层Ag原子[28]。钛氧化物低离子迁移率和低氧化还原反应速率控制Ag原子和Ag离子跨界面层迁移累积[36]。上述两事实可导致从TE到BE形成纳米锥形丝[37]。金属浓缩区形式为从TE到BE纳米锥形丝生长有效限制，可提供循环操作中电阻态控制[38]。Ag TE充分正偏压跨双层时，介质层电场足驱动Ag离子从Ag TE经界面层至p⁺⁺-Si BE，减小电极间有效间隙（图4b中间面板）。除非施加负电压Ag丝不溶解，即使移除偏压倾向保持原形。施加负电压时正常RESET开始，Ag CF部分脱溶（通常最细处）因热辅助电化学过程[39]。忆阻器关闭回HRS（图4b最后面板），可在两态间可逆循环（图3b）作为非易失性存储器件。图4b左面板显示此处形成丝应比图4a中间面板更粗，除非施加负电压否则不溶解断裂。SiO_x层丝部分仍比TiO_x层纳米锥部分细，整体丝形状似纳米锥。故施加负偏压时丝快速断裂（图3b），电压进一步增大电流又增大，因BE表面残留Ag原子在高偏压范围存在负SET风险。

实际上HRS总忆阻仅与丝纳米锥尖端与底电极间隙相关，可通过调节电偏压增减[33]。此改变HRS倾向可见图2b，重复扫描偏压0 V→+2.1 V和0 V→−2.1 V下电流可连续增减。另一方面，恒定扫描+2.1 V电压不足在TE和BE间形成导电丝。相反导电Ag丝可渐变累积Ag原子，减小电极间有效间隙（附件1：图S3）。因此通过适当编程偏压可实现典型阈值开关向渐变开关转变，总存储单元电阻可通过调节电极间有效间隙渐变调节，类似生物突触。

类似生物突触，合适脉冲编程输入刺激可改变忆阻器电导态执行多神经任务。PPF是另一关键特征，可通过输入刺激时间求和调节电导执行多短时神经任务，含突触滤波和适应[40,41]。生物突触PPF工作如下：两连续尖峰刺激间间隔时间小于恢复时间时，第二个突触后响应高于第一个[22]。图5a显示实施一对易化脉冲（幅度+2.0 V，固定宽度和间隔命名0.08 s尺度）后监测器件响应。观察到第二个脉冲响应电流明显增大于第一个，表明实施合适脉冲编程后电导态明显变化。两后续脉冲间隔期间观察到电流衰减，可归因于器件存在易失性。电导衰减可能对应增强脉冲移除后Ag原子扩散[42]。成功PPF功能仅当两连续脉冲间隔时间小于Ag原子扩散弛豫时间，致使更多Ag原子推入SiO_x:Ag/TiO_x层。此外，器件持续高频易化脉冲刺激（幅度+2.0 V，相同宽度间隔0.08 s）达饱和态（图5b）。结果显示高频脉冲泵入更多Ag原子入SiO_x层直至TE与BE间形成导电桥接达饱和水平[22]。此现象类似Hebbian学习规则：突触权重变化须有饱和值避免未稳定尖峰脉冲序列导致神经元过度兴奋[43]。

此外，同生物突触，忆阻器实施增强尖峰后电流骤降遭受记忆丢失，可归因为忆阻器存在STP[44,45]。神经生物学中STP和LTP常分别对应短时记忆（STM）和长时记忆（LTM）[46]。确立STP向LTP转变可通过重复刺激（即复述过程）发生[46,47]。为验证并比较此行为与生物突触观察，向Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器实施电压脉冲序列。图6a显示实施15连续脉冲（幅度+1.4 V，宽度间隔5 ms）后电流从初始0.05 mA增至1.8 mA。立即施加增强脉冲后在读取电压+0.3 V测量归一化电流衰减（（I_t-I_o）/I_o×100%），随时间（t)变化（图6b）。归一化电流衰减与时间关系良好拟合公式(1) [48]：

ΔI_t/ΔI_o×100% = exp[−(t/τ)^β] (1)

此处τ称弛豫时间，β称伸展指数（0<β<1）。此关系常描述能量随机分布无序材料弛豫过程。曲线显示突触权重衰减类似心理学人类记忆“遗忘曲线”[49]：开头快速衰减可称STP，后逐渐达稳定水平可称器件LTP。但在极短时间间隔（t)观察到明显归一化电流衰减，然后在低电导态达饱和（50 s内达16%）。此情况下，脉冲参数不变，我们用重复脉冲数进一步模拟。同初始态下各组脉冲序列，实施不同脉冲数（25、50、100、200）后在+0.3 V读取电压立即测电流。图6c显示各组测量归一化电流衰减随时间拟合公式(1)。图6d显示随刺激数增加弛豫时间（τ）增加，表明遗忘过程减缓。同时观察到电流水平明显抬升，意味着突触权重（电导）正向变化（图6d黑线）。图6结果清晰证明器件存在STP和LTP。较少刺激仅诱导器件STP，饱和水平电导轻微上升。因此增加重复刺激数，复述过程不仅提升电导水平还实现长效记忆保持现象（图6d红线）。

常规数字存储器需非易失性存储信息，生物突触则处理信息并相应重构记忆状态。图6显示实现STP向LTP转变并相应调节突触权重，微小突触权重的不重要信息暂存后随时间消退。此现象类似Atkinson和Shiffrin“多储存模型”[50]：首分析输入信息，再按“突触权重”重要性通过复述过程存储不同层级。因此器件中随刺激数增加突触权重提升和随之延长弛豫时间（τ）最好验证复述方案。

除脉冲重复过程，STP向LTP转变作为脉冲强度函数进一步考察。监测不同脉冲幅度（+1.2 V、+1.6 V、+2.0 V、+2.8 V，相似宽度间隔3 ms）后器件响应（图7a）。每组50脉冲脉冲序列后在+0.3 V读出电压监测电流。图7a拉伸指数弛豫模型拟合结果显示弛豫时间随脉冲强度增加（图7b红线）。同时图7b显示+2.8 V幅度下较大τ=43 s处突触权重提升约90%，远高于+1.2 V幅度下较小τ=10 s处约25%突触权重（图7b黑线），表明LTP形成。基于这些结果易发现器件LTP形成持久性高度依赖脉冲数或脉冲幅度。这些结果符合生物突触记忆状态（STM/LTM）及其稳定性与输入刺激特性相关事实。

尖峰时间依赖可塑性（STDP）是生物突触学习记忆功能另一基本特征[51]。报道[52]电子突触中权重可通过突触前/后脉冲相对时序调制。Hebbian STDP规则：突触前尖峰先于后尖峰（Δt>0）可加强两神经元连接强度；反之后尖峰先于前尖峰（Δt<0）可削弱连接强度。此类加强/削弱也称LTP/LTD[45]。全过程中突触前/后尖峰时间顺序决定权重变化（ΔW）极性。为在器件模拟STDP规则，实施一对脉冲（+1.2 V, 5 ms和−1.2 V, 5 ms）作为突触前/后尖峰信号（图8a）。可见Δt减小时（Δt>0和Δt<0两种情况）出现更大电导变化（突触权重）。突触权重百分比变化定义ΔW=(G_t−G₀)/G₀×100%。G₀为刺激前电导，G_t为突触前/后尖峰对刺激后电导。图8b显示ΔW与Δt刺激前后关系。突触前（正）出现在后尖峰（负）前（Δt>0）时，随Δt减小电导增强ΔW增加。相反突触前（正）出现在后尖峰（负）后（Δt<0）时，器件净电导随Δt增加减小（抑制）ΔW。结果证明Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器成功以人工突触形式模拟Hebbian STDP学习规则。

结论

总之，通过物理气相沉积工艺制备新型结构简单的Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si忆阻器件。通过实施正/负脉冲序列实现电阻宽范围变化进行突触权重调制，深入研究忆阻器突触特性。单一制备忆阻器件同时演示多关键学习记忆功能：短/长时增强抑制（STP/STD, LTP/LTD）、PPF、STP向LTP转变及STDP，由重复脉冲超复述操作调控。此外，对数I-V特性分析及相应物理模型指示SiO_x:Ag层与底电极间TiO_x缓冲层受控Ag丝跨Ag和p⁺⁺-Si电极形成/溶解可提升新忆阻器件性能。该器件作为人工突触，或为新一代仿生神经网络和计算系统设计硬件实现带来潜在研究前景。