34、基于 HfO₂ 忆阻器的突触器件研究

基于 HfO₂ 忆阻器的突触器件研究

1. STDP 测试与能耗优化

在基于 HfO₂ 忆阻器的突触器件研究中，STDP（Spike-Timing-Dependent Plasticity）测试是重要的研究内容。不同相对时间间隔（Δt）的尖峰波形被用于 STDP 测试，在器件状态的抑制（Δt < 0）和增强（Δt > 0）过程中，会施加不同的特征电压。实验数据表明，在较低时间尺度下，这些器件能够成功实现 STDP，这有助于降低每个突触事件的能耗。

尖峰的时间和形状设计至关重要，因为这些参数会显著影响编程能耗和 STDP 行为。此外，还有其他方法被提出，例如每个突触考虑使用两个忆阻器，或者采用基于混合 CMOS - RRAM 的突触配置。

2. 电阻式突触器件的稳定性和可靠性问题

忆阻器作为突触元件，面临着一些可靠性方面的关键挑战，包括突触状态随时间的稳定性、编程能耗以及寄生效应（如固有串联电阻 Rseries）。在生物突触中，估计能耗约为 10 fJ，但在电阻式突触器件中，电阻开关（RS）现象涉及的大编程电压（约 1 V）和编程电流，显著增加了每个突触事件的能耗，因此需要进一步优化操作条件和器件特性。

减少脉冲宽度是降低编程能耗的有效技术，但忆阻器器件和交叉点结构中的固有串联电阻会显著影响其电阻开关动态。以 Ti/HfO₂ 基忆阻器为例，在 SET 扫描过程中使用不同的电流限制（Icc）测量其典型 RS 特性，Icc 值会影响 SET 过程后的电阻。低 Icc 值时，RESET 转变具有渐进性；高 Icc 值时，RESET 转变更突然，需要更高电压来重置器件。同时，测量的 I - V 特性显示出渐进和自限的 SET 过程，这