[發(fā)明專利]一種利用光信號在憶阻器中實現(xiàn)正負光電導的方法

有效

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• 申請日: 2021-01-26
• 公開（公告）號: CN112951987B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設計）人: 諸葛飛;沈柳楓;胡令祥;張莉
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發(fā)明公開了一種利用光信號在憶阻器中實現(xiàn)正負光電導的方法，該憶阻器包括底電極層、頂電極層以及位于兩者之間的氧化物層，其中氧化物層包括富氧層和缺氧層，富氧層與頂電極層相鄰，缺氧層與底電極層相鄰，所述方法為通過頂電極層輸入光信號，所述方法包括所述憶阻器通過光信號獲得正向光電導模式或負向光電導模式；在所述正向光電導模式下，所述光信號為紫外光；在所述負向光電導模式下，所述光信號為可見光或紅外光。利用本發(fā)明公開的憶阻器本身的特性在不同波長的光信號下能夠實現(xiàn)憶阻器電導正負極性的可逆調控。

技術領域

本發(fā)明涉及光電技術領域，更具體地，涉及一種利用光信號調控憶阻器光電導正負極性的方法。

背景技術

隨著人工智能大數(shù)據(jù)時代到來，實時信息傳輸及處理對計算機性能的要求不斷提升。在傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算機架構中，基于摩爾定律的計算能力提升方案已逐步受限于物理瓶頸，通過器件縮放集成不再能提供所需的性能增益。人腦能將信息存儲與處理并行，進行大規(guī)模的運算，極大程度上降低了功耗，發(fā)展類腦智能器件是突破當下技術瓶頸的重要方向之一。

憶阻器，其阻值可隨流經(jīng)電荷發(fā)生動態(tài)變化，被認為是構建類腦芯片的理想選擇。憶阻器(memristor)是繼電阻、電容、電感之后的第四種無源電子元件。1971年，蔡少棠教授首次提出了憶阻器的概念,他在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間關系時推斷出這種元件的存在，并指出它代表著電荷和磁通量之間的關聯(lián)。直至2008年,惠普實驗室報道了首個可行的憶阻器原型器件。此后，為了滿足憶阻器的性能和功能需求,科學家一直致力于研發(fā)高性能憶阻材料體系。憶阻器最常見的結構為金屬/絕緣體/金屬的堆垛結構，包括兩層電極材料和一層功能憶阻材料。器件的阻變特性與功能層材料和電極材料密切相關。

憶阻器在實際應用中還存在很多問題，比如在模擬神經(jīng)突觸功能方面，作為突觸激勵的電信號，存在帶寬限制、較高功耗、集成串擾等問題。并且電刺激會對材料微觀結構產(chǎn)生一定影響，而光刺激信號具有高速、低串擾、低功耗等優(yōu)點是理想的選擇，基于此的光電憶阻器目前正在被廣泛地研究與討論。

半導體受光照引起電導率的改變，最早是1873年W.史密斯在硒上發(fā)現(xiàn)的。此后，又先后在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘等材料中發(fā)現(xiàn)。半導體材料由于對光子的吸收引起自由載流子濃度的變化，導致材料電導率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。在絕大多數(shù)半導體材料中，光照會在價帶或導帶中形成自由電荷載流子，從而使材料的電導率增加，稱為正向光電導效應(positive photoconductivity，PPC)。在某些不常見的情況下，電導率在光照下降低，甚至低于無光照時的水平，這種現(xiàn)象稱為負向光電導效應(negativephotoconductivity，NPC)。負向光電導效應通常被認為是由材料和器件的缺陷引起的。目前，已經(jīng)報道了多種材料能實現(xiàn)負向光電導，例如砷化銦、金納米顆粒、碳納米管等。

正負光電導效應可以應用于光電探測器領域，而最近的研究表明其與生物視覺通路中雙極細胞的生物特性類似。雙極細胞是脊椎動物視網(wǎng)膜的中間神經(jīng)元，它接收光感受器(視錐細胞，視桿細胞)的信號輸入，并把視覺信號分流為給光信號(ON)和撤光信號(OFF)，在整合后傳遞至無長突細胞和神經(jīng)節(jié)細胞。在人腦處理的信息中，超過80％都是通過眼睛獲得的，而由眼睛傳入的光信息有很大部分是冗余的，雙極細胞的作用并不只是簡單地對光起反應，而是開始分析視覺信息，對輸入的圖像信息進行預處理，提取特征要素傳入到大腦，從而提高了對信息處理的效率。構建一個媲美人眼的類腦視覺系統(tǒng)，是科研人員一直在研究探索的方向。基于正負光電導效應的類視網(wǎng)膜形態(tài)器件有望進一步擴展憶阻器的常規(guī)功能，實現(xiàn)一種集視覺信息感知和處理一體的人工視覺系統(tǒng)。