14、硫属化物材料的神经形态器件：原理与应用探索

硫属化物材料的神经形态器件：原理与应用探索

脑启发的神经形态计算凭借高能效执行认知信息处理操作的能力，正逐渐成为即将到来的人工智能物联网（AIoT）时代非冯·诺依曼计算的替代范式。电子人工神经元和突触是构建硬件神经形态系统的两个关键组成部分，而硫属化物器件因其能满足全硬件神经形态系统的要求而备受青睐。

1. 硫属化物材料的开关现象

硫属化物材料的电场诱导电阻开关现象研究可追溯到20世纪60年代。当时，斯坦福·R·奥夫辛斯基首次观察到无序半导体材料在高阻态和导电态之间的快速可逆转变，发现了Ge₁₀Si₁₂As₃₀Te₄₈的挥发性阈值开关（TS）行为，以及砷含量降至5%时的非挥发性记忆开关（MS）效应。此后，相关研究不断推进。

从LRS稳定性角度，硫属化物材料的电阻开关行为可分为非挥发性MS和挥发性TS两类：
- 非挥发性MS ：以典型的相变存储器（PCM）为例，初始状态为高阻态（HRS），当施加电压超过阈值电压（Vth）时，器件突然切换到低阻态（LRS），且去除电压后仍保持LRS，可用于存储逻辑变量0和1，这种记忆效应与非晶相到晶相的转变有关。
- 挥发性TS ：在特定Vth下，器件从HRS突然切换到LRS，但当施加电压降至保持电压（Vhold）以下时，LRS恢复到HRS，具有挥发性特征。

目前，有三类硫属化物材料能稳定表现出非挥发性MS行为：
|类别|代表材料|特点|
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|成核主导的GeTe - Sb₂Te₃伪二元合金系统|Ge₁Sb₄Te₇、Ge₁Sb₂Te₄、Ge₂Sb₂Te₅等|具有亚稳