一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件及其調製方法與流程

2023-05-27 19:38:16

本發明屬於人工神經網絡技術領域，更具體地，涉及一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件及其調製方法。

背景技術：

現有的馮·諾依曼計算機架構將數據的存儲與計算分離，存儲器與處理器之間通過傳輸總線進行數據傳輸，其傳輸速度會大大限制計算機速度。大數據時代下，海量實時數據的大規模並行運算為現有的計算架構帶了挑戰。而人腦神經系統中，計算與存儲是可以同時進行的。因此，類腦計算的研究有望成為突破馮諾依曼瓶頸最有效的一種方案。在人腦神經系統中，信息的處理和存儲單元是結合在一起，記憶與計算是並行進行的，每個神經元與突觸都在同步地存儲並處理信息。外界刺激產生的信號輸入在神經系統中傳遞，最終在輸出響應的過程中將信息的存儲和處理完善的結合在一起。而學習和記憶作為人腦神經系統最基本的認知活動，其神經生物學基礎來自於神經突觸的可塑性。突觸可塑性即指突觸權重隨神經活動電位發生增強和減弱的能力。細胞間雙脈衝易化(paired-pulsefacilitation,ppf)、長時程增強(long-termpotentiation,ltp)、長時程抑制(long-termdepression,ltd)、脈衝時序依賴突觸可塑性(spike-timing-dependentplasticity,stdp)、脈衝頻率依賴突觸可塑性(spike-rate-dependentplasticity,srdp)等都是神經元突觸常見的突觸可塑特性。而認知過程在本質上就是基於神經元和突觸微觀動力學的一種宏觀行為，例如聯想學習(associativelearning)、競爭學習(competitivelearning)等學習機制都是基於這些最基本的突觸可塑性而實現。因此致力於人工突觸器件中各種突觸可塑性的模擬實現是發展人工神經網絡最基礎也最重要的研究方向之一。

憶阻器作為一種新型信息器件，可以有機融合信息存儲與計算，實現類腦信息處理，被認為是從根本上突破馮·諾依曼瓶頸的核心基礎單元。而目前對人工突觸器件的研究，都聚焦在二端突觸器件上；這不僅在一定程度上約束了單個突觸器件的調控範圍與調控精度，也限制了人工神經網絡中神經突觸器件之間的交叉互聯。因此，多端人工突觸器件的研究在人工神經網絡的發展中有著不可忽視的重要性。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件及其調製方法；通過在純電調控憶阻人工突觸器件中引入光信號調控端，實現光、電信號對人工突觸器件性能的耦合調控，從而拓寬了人工突觸器件的應用範圍和調節精度。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件，包括上電極、下電極以及位於上、下電極之間的功能材料層，上電極、功能層材料及下電極共同形成三明治結構；

其中，功能材料層由具有光電導效應的材料製成，下電極為透明導電電極；電信號通過上電極、下電極輸入，光信號則通過透明導電電極輸入。

優選的，上述基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件，其功能材料層的材料為有機或無機鈣鈦礦、無機氧化物或無機硫系化合物。

優選的，上述基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件，其功能材料層的材料為ch3nh3pbi3、ch3nh3pbbr3、ch3nh3pbcl3-xix、ch3nh3pbbr3-xix、nh4pbi3、nh2chnh2pbi3、ch3nh3sni3、al2o3、zno/nb-srtio3、ingazno、cds、cdse、pbs、gaas、insb、cu2znsnse4、cu2znsn(s,se)4、mos2、ws2、bn、黑磷或石墨烯。

優選的，上述基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件，其下電極是採用包含ito或fto的透明導電玻璃製成的透明導電電極。

優選的，上述基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件，其上電極材料為au、cu、ti、zn、al、ag或ni的金屬材料。

進一步優選的，上述基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件，其功能材料層的結晶狀態根據製備方法可採用單晶、多晶或非晶；其功能材料層的結晶狀態、厚度和上電極的厚度均可作為性能指標調控的參數。

本發明提供的上述人工突觸器件作為一種可三端輸入的器件，具備二端人工突觸器件的電學特性，在外界電學激勵信號下，具有多階阻態；可通過調控將該人工突觸器件配置到相應的多個穩定阻態以實現ppf、stp、ltp、stdp等突觸可塑性功能；並由於其功能層具有光生伏特特性，可引入第三端光作為調控信號，光信號可單獨或輔助電信號對人工突觸器件的突觸可塑性功能進行調控。

為實現本發明目的，按照本發明的另一個方面，提供了一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在電信號下的突觸可塑性的調製方法，電信號從上、下兩個電極輸入，光信號通過透明導電的下電極輸入，具體包括如下步驟：

(1)通過在基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件的金屬的上電極輸入直流電平vf，將透明的下電極接地，通過調節限制電流對所述人工突觸器件進行電初始化，將人工突觸器件的電阻狀態由最初的電阻狀態轉變為較低電平可調節的阻態；

其中，限制電流是在對器件施加激勵時的過載保護電流；當所施加的偏置電壓產生的電流大於限制電流時，自動把流經器件的電流大小置為限制電流；

(2)通過在上述的人工突觸器件的金屬的上電極輸入寫入電平vset，將透明的下電極接地，將該器件從高阻態rh調控至低阻態rl；

通過在透明的下電極輸入擦除電平vreset，將金屬的上電極接地，將該器件從低阻態rl調控至高阻態rh；

該器件在高阻態rh時，電導很低，電流通過能力小，可採用處於這種狀態下的人工突觸器件來模擬生物突觸連接強度很弱、突觸權重很低的情況；

該器件在低阻態rl時，電導很高，電流通過能力強，可採用處於這種狀態下的人工突觸器件來模擬生物突觸連接強度很強、突觸權重很大的情況；

(3)通過在上述的人工突觸器件的金屬的上電極輸入器件的寫入閾值脈衝pset，將透明的下電極接地，將人工突觸器件從高阻態rh調控至低阻態rl；

通過在透明的下電極輸入擦除閾值脈衝preset，將金屬的上電極接地，將人工突觸器件從低阻態rl調控至高阻態rh；

通過在上述的人工突觸器件的一個電極加幅值或脈寬低於閾值脈衝(pset或preset)的脈衝信號pm，將另一個電極接地，將人工突觸器件調控至中間阻態rm1；通過改變脈衝信號pm的脈衝參數幅值和脈寬的大小，獲得不同的中間阻態rmx；

當該器件處在不同的中間阻態時，電導不同，電流通過能力不同，可採用處於這種狀態下的人工突觸器件來模擬生物突觸不同的連接強度，即可以模擬不同的突觸權重；當人工突觸器件從高阻被調控至低阻，電導升高，表明該人工突觸器件的突觸權重增大；而當器件從低阻被調控至高阻時，電導降低，表明該人工突觸器件的突觸權重減小；

(4)當上述的人工突觸器件處在髙阻，而脈衝信號pm1未能將器件從高阻態調控至某個穩定的中間阻態，而是從這個中間阻態易失性地衰退回高阻態，該人工突觸器件實現stp功能；

當該器件處在髙阻，脈衝信號pm2將器件從高阻態調控至某個中間阻態，器件從該中間阻態易失性地衰退回阻值低於高阻態的非易失的某個穩定中間阻態時，該人工突觸器件實現ltp功能；

當該器件處在高阻態時，在器件的同一電極上連續施加兩個相同的脈衝信號pm3，當兩次脈衝信號的刺激引起的電流幅值之比a2/a1大於1時，該器件實現ppf功能；

當在該器件的金屬的上電極施加脈衝序列ps1，在其透明的下電極施加脈衝序列ps2，通過改變脈衝序列ps1與ps2的時間間隔δt，使得突觸權重的改變量也隨之改變；通過調整脈衝序列的參數，當突觸權重隨δt變化而變化時，實現stdp功能；

(5)通過在上述的突觸器件的金屬的上電極輸入讀電平vread，將透明的下電極接地，來實現人工突觸器件權重的讀取。

為實現本發明目的，按照本發明的另一個方面，提供了一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在光信號下的突觸可塑性的調製方法，包括如下步驟：

(1)通過在上述的突觸器件的金屬的上電極輸入直流高電平vf，將透明的下電極接地，通過調節限制電流，使得所述人工突觸器件的電阻狀態由初始電阻狀態轉變為光脈衝可調節的阻態；

其中的限制電流為對器件施加激勵時的過載保護電流；

(2)在透明的下電極垂直輸入光脈衝信號lm，通過調節光脈衝信號lm的強度、頻率及脈寬，使得所述人工突觸器件達到不同的穩定中間阻態rmx，從而模擬生物突觸中的不同權重；x為自然數；

當該器件處在髙阻態，而所施加的光脈衝信號lm1未能將器件從高阻態調控至某個穩定的中間阻態、而是從這個中間阻態易失性地衰退回高阻態，該人工突觸器件實現stp功能；

當該器件處在髙阻態，光脈衝信號lm2將器件從高阻態調控至某個中間阻態、器件從該中間阻態易失性地衰退回阻值低於高阻態的非易失的某個穩定中間阻態時，該人工突觸器件實現ltp功能；

當該器件處在高阻態時，連續施加兩個相同的光脈衝信號lm3，當兩次光脈衝刺激引起的電流幅值之比a2/a1大於1時，該人工突觸器件實現ppf功能；

(3)通過在所述的光電耦合憶阻人工突觸器件的金屬的上電極輸入讀電平vread，在透明的下電極接地，來實現人工突觸器件權重的讀取。

為實現本發明目的，按照本發明的另一個方面，提供了一種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在電信號和光信號耦合作用下的突觸權重調製方法，包括如下步驟：

(1)通過在所述的光電耦合人工突觸器件的金屬的上電極輸入直流高電平vf，將透明的下電極接地，通過調節限制電流，使得所述人工突觸器件的電阻狀態由最初的電阻狀態轉變為光電耦合信號可調節的阻態；

(2)在所述人工突觸器件的透明的下電極加擦除閾值脈衝信號preset，將上電極接地，可以將人工突觸器件調控至高阻態rh；在金屬的上電極施加脈衝pm1，將透明的下電極接地，器件發生一個易失性地從高阻態到低阻態的阻變，最終器件阻值回到高阻態，阻值沒有改變，此時，器件實現stp功能；

作為光電耦合作用地對比，在透明的下電極段施加光信號的同時，在金屬的上電極施加同樣的脈衝pm1，改變光信號的強度、頻率與脈寬，電脈衝pm1將器件調控至非易失的穩定的中間阻態rmx(x為1、2、3…)；此時，光信號輔助電脈衝信號調控器件從stp學習轉變為ltp學習；

(3)在所述人工突觸器件的透明的下電極加擦除閾值脈衝信號preset，將上電極接地，可以將人工突觸器件調控至高阻態rh；在金屬的上電極施加脈衝pm1，將透明的下電極接地，器件阻值被調控至非易失的中間阻態rm1，此時，器件實現ltp功能；在透明的下電極施加光信號，在金屬的上電極施加的脈衝pm1，改變光信號的強度、頻率與脈寬，電脈衝pm1將器件調控至非易失的穩定的中間阻態rm2，rm2小於rm1，此時，光信號輔助電脈衝信號調控器件實現更深程度的ltp學習；

(4)通過在所述的光電耦合人工突觸器件的金屬的上電極輸入讀電平vread，在透明的下電極接入零電平，來實現人工突觸器件阻態的讀取。

優選地，上述調製方法中，rh＞rmx＞rl，pm<pset，pm<preset；其中，rh為高阻態的阻值，rmx為中間阻態的阻值，rl為低阻態的阻值；pm為施加在人工突觸器件電極的脈衝的幅值，pset為閾值脈衝的幅值，preset為擦除閾值脈衝信號的幅值。

優選地，在上述調製方法中，通過對器件施加限制電流將器件置於不同的阻態調節範圍，所述限制電流的範圍為1na～100ma。

總體而言，本發明所構思的以上技術方案，與現有人工突觸器件相比，具有以下有益效果：

本發明提供的上述人工突觸器件，採用具有光生伏特效應的憶阻材料作為人工突觸器件功能層材料，在電信號之外引入光作為另一端調控信號，將二端人工突觸器件的調控端擴至三端；添加的這一端使得該人工突觸器件可在外界光學激勵信號下發生阻值變化，通過對光學激勵信號強度、頻率及光脈衝時間的選擇調控，能夠將該人工突觸器件配置到相應的多個阻態，從而實現對單個人工突觸器件大範圍地、精確地調控，相應實現ppf、stp、ltp的突觸可塑性功能，進而實現大規模人工神經網絡中人工突觸器件的交叉互聯。

附圖說明

圖1是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件的結構示意圖；

圖2是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件的激勵信號輸入示意圖；

圖3是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件的電流-電壓特性曲線圖；

圖4是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件的多階穩定阻態調控圖；

圖5是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在調控下從stp學習轉變至ltp學習的曲線示意圖；

圖6是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在調控下進行更深程度的ltp學習的曲線示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：101-上電極、102-功能材料層、103-下電極。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個

當只在電輸入1、電輸入2端施加電信號時，改人工突觸器件可以展實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

圖1所示，是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件的結構示意圖，具體包括上電極101、下電極103以及位於上下電極之間的功能材料層102，上電極、功能層材料及下電極共同形成三明治結構。

本實施例中，功能材料層由具有光電導效應的材料製成，包括有機、無機鈣鈦礦、無機氧化物、無機硫系化合物、及其他一些二維材料，這些二維材料包括但不限於ch3nh3pbi3、ch3nh3pbbr3、ch3nh3pbcl3-xix、ch3nh3pbbr3-xix、nh4pbi3、nh2chnh2pbi3、ch3nh3sni3、al2o3、zno/nb-srtio3、ingazno、cds、cdse、pbs、gaas、insb、cu2znsnse4、cu2znsn(s,se)4、mos2、ws2、bn、黑磷或石墨烯等光敏材料；下電極採用ito或fto的透明導電玻璃的透明電極，上電極採用au、cu、ti、zn、al、ag或ni的金屬材料。

圖2所示，是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在工作時的激勵信號輸入示意圖，電信號通過上電極和下電極輸入，外部電輸入1端聯接人工突觸器件的上電極，外部電輸入2端聯接人工突觸器件的下電極，而光信號則從透明導電的下電極垂直輸入，由此，這種基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件實現了三端輸入。

現有的二端人工突觸器件的電學特性包括如圖3所示的八字回線和圖4所示的多阻態漸變特性；利用這種特性可以在電信號控制下實現ppf、stp、ltp、stdp等突觸可塑性功能。

而對於本發明所提供的上述人工突觸器件，當其從下電極103垂直輸入光信號時，可通過光信號輔助或協同電信號對該憶阻人工突觸器件進行調控，也可通過光信號單獨對憶阻該人工突觸器件進行調控。

以下結合實施例具體闡述本實施例提供的人工突觸器件在單獨的電信號、單獨的光信號和光、電信號同時施加時的調製方法。

對於實施例提供的這種光電耦合憶阻器的人工突觸器件，在單獨的電信號下的突觸權重調製方法具體如下：

(1)電初始化器件阻值；在器件的金屬上電極101輸入直流高電平vf，在透明的下電極103接零電平，使得人工突觸器件的電阻狀態由最初的電阻狀態rin1轉變為初始化後的電阻值rin2，在電操作後的電阻值rin2下，器件的阻值可由比vf低的直流電平進行調節；

(2)採用直流電信號調控器件阻值；在器件的金屬上電極101輸入寫入電平vset，將透明的下電極103接零電平，以將人工突觸器件從高阻態rh調控至低阻態rl；

通過在透明的下電極103輸入擦除電平vreset，將金屬上電極101接零電平，將人工突觸器件從低阻態rl調控至高阻態rh；該過程對應的i-v圖如圖3所示。當器件處於高阻態rh時，器件的電導很低，電流通過器件的能力很弱，可以用處於這種狀態下的人工突觸器件來模擬生物突觸兩端連接強度很弱、突觸權重很低的情況；當器件處於低阻態rh時，器件的電導很高，電流通過器件的能力很強，可以用處於這種狀態下的人工突觸器件來模擬生物突觸兩端連接強度很強、突觸權重很大的情況；

(3)採用電脈衝信號調控器件阻值；在突觸器件的金屬上電極101施加寫入閾值脈衝pset，在透明的下電極103接零電平脈衝，可將器件從高阻態rh調控至低阻態rl；

在透明下電極輸入擦除閾值脈衝preset，在金屬上電極接零電平，可將人工突觸器件從低阻態rl調控至高阻態rh；

在器件的一個電極加幅值或脈寬低於閾值脈衝(pset或preset)的脈衝信號pm，將另一個電極接地，可以將人工突觸器件調控至中間阻態rm1，通過改變脈衝信號vp的脈衝參數幅值和脈寬的大小，可獲得不同中間阻態rmx(x為1、2、3…)，如圖4所示；器件處在不同中間阻態時，電導不同，電流的通過能力也不同，由此可以模擬生物突觸不同的連接強度，即可以模擬不同的突觸權重；

(4)通過電信號調控器件突觸可塑性；將這種人工突觸器件的金屬上電極101接地，在透明下電極103端施加擦除閾值脈衝preset，使器件處於髙阻態；將透明下電極103端接地，在金屬上電極101端施加脈衝信號pm，器件從高阻態被調控至某個中間阻態，又很快衰退至初始高阻態時，該人工突觸器件實現stp功能；

將該人工突觸器件的金屬上電極101端接地，在透明下電極103端施加擦除閾值脈衝preset，使器件處在髙阻態；將透明下電極103接地，在金屬上電極101端施加脈衝信號pm，人工突觸器件從高阻態被調控至某個穩定的中間阻態時，該人工突觸器件實現ltp功能；

將該人工突觸器件的金屬上電極101接地，在透明下電極103端施加擦除閾值脈衝preset，使器件處在髙阻態；將器件透明下電極103端接地，在器件的金屬上電極101端連續施加兩個相同的脈衝信號pm，兩次脈衝信號pm的刺激引起的電流幅值之比a2/a1大於1時，器件實現ppf功能；

在該人工突觸器件的金屬上電極101施加脈衝序列p1，在其透明下電極施加脈衝序列p2，改變脈衝序列p1與p2的時間間隔δt，突觸權重的改變量也隨之改變，調整脈衝序列的參數，當突觸權重的改變量隨δt變化而變化時，器件實現stdp功能；

(5)突觸權重的讀取；在該人工突觸器件的金屬上電極101輸入直流讀電平vread，在其透明下電極103接入零電平，讀取流經器件的電流iread，作為突觸權重，從而實現人工突觸器件權重的讀取。

對於實施例提供的這種光電耦合憶阻器的人工突觸器件，在單獨的光信號下的突觸權重調製方法具體如下：

(1)電初始化人工突觸器件阻值；在該人工突觸器件的金屬的上電極101輸入直流高電平vf，在透明的下電極103接零電平，使得該器件的電阻狀態由最初的電阻狀態rin1轉變為初始化後的電阻值rin2，在電操作後的電阻值rin2下，器件的阻值可由比vf低的直流電平進行調節；

(2)採用光信號對突觸可塑性進行調節；在透明的下電極103垂直輸入光脈衝信號lm，通過調節光脈衝信號lm的強度、頻率及脈寬，使得突觸器件達到不同的穩定中間阻態rmx(x為1、2、3…)，模擬生物突觸中的不同權重；

將該器件的金屬上電極101接地，在透明的下電極施加擦除閾值脈衝preset，使該器件處在髙阻態，當調節光脈衝信號lm未能將器件從高阻態調控至某個穩定的中間阻態時，該人工突觸器件實現stp功能；

將該器件的金屬上電極101接地，在透明的下電極施加擦除閾值脈衝preset，使該器件處在髙阻態，當光脈衝信號lm將器件從高阻態調控至某個穩定的中間阻態時，該人工突觸器件實現ltp功能；

將該器件的金屬上電極101接地，在透明的下電極施加擦除閾值脈衝preset，使該器件處在髙阻態，連續往下電極施加兩個相同的光脈衝信號lm，當兩次光脈衝刺激引起的電流幅值之比a2/a1大於1時，器件實現ppf功能；

(3)突觸權重的讀取；在該器件的金屬上電極101輸入直流讀電平vread，在透明的下電極103接入零電平，讀取流經器件的電流iread，作為突觸權重，從而實現人工突觸器件權重的讀取。

對於實施例提供的這種光電耦合憶阻器的人工突觸器件，在電信號和光信號下的突觸權重調控方法為：

(1)電初始化器件阻值；在該人工突觸器件的金屬的上電極101輸入直流高電平vf，在透明的下電極103接零電平，使得該器件的電阻狀態由初始電阻狀態rin1轉變為初始化後的電阻值rin2；在電阻值rin2下，該器件的阻值可由比vf低的直流電平進行調節；

(2)單獨採用電信號對該人工突觸器件的調控；在該人工突觸器件的任意一個電極施加脈衝信號vp，在另一電極接零電平脈衝，將器件調控至阻態rm1；通過改變脈衝信號vp的脈衝參數幅值和脈寬大小，獲得不同中間阻態rmx(x為1、2、3…)；

(3)採用光信號輔助該人工突觸器件在電信號操作下從stp學習轉變至ltp學習；在該人工突觸器件的透明的下電極施加擦除閾值脈衝信號preset，使金屬的上電極接地，將該人工突觸器件調控至高阻態rh；

在金屬的上電極施加脈衝pm1，將透明的下電極接地，該器件阻值沒有改變，器件實現stp功能；

在透明的下電極施加光信號，在金屬的上電極施加脈衝pm1，並改變光信號的強度、頻率與脈寬，電脈衝pm1將該器件調控至穩定的中間阻態rmx(x為1、2、3…)；此時，光信號輔助電脈衝信號操作器件從stp學習轉變為ltp學習；圖5所示，是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在有光輔助地調控下由stp學習轉變至ltp學習的曲線示意圖；

(4)通過光信號輔助該器件在電信號操作下進行更深程度的ltp學習；通過在該人工突觸器件的透明的下電極施加擦除閾值脈衝信號preset，把金屬的上電極接地，將人工突觸器件調控至高阻態rh；

通過在其金屬的上電極施加脈衝pm1，把透明的下電極接地，將該器件阻值調控至中間阻態rm1，此時，該器件實現ltp功能；

在透明的下電極施加光信號，並在金屬的上電極施加脈衝pm1，並改變光信號的強度、頻率與脈寬，電脈衝pm1將器件調控至穩定的中間阻態rm2，rm2大於rm1，此時，光信號輔助電脈衝信號調控器件實現更深程度的ltp學習；圖6所示，則是實施例提供的基於光電耦合憶阻器的人工突觸器件在有光輔助地調控下進行更深程度的ltp學習的曲線示意圖。

(5)突觸權重的讀取；在該人工突觸器件的金屬上電極101輸入直流讀電平vread，在透明的下電極103接入零電平，讀取流經器件的電流iread，作為突觸權重，從而實現人工突觸器件權重的讀取。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。