基于易失性阈值转变器件的神经元电路制造技术

本公开提供了一种利用易失性阈值转变器件的神经元电路，包括：电容C、易失性阈值转变器件TSM及电阻R1、R2，其中：由电阻R1、电容C及激励输入构成充电回路，所述电阻R1与电容C的第一端串联构成RC串联电路，所述电容C的第二端接地并作为激励输入的一端，所述激励输入的另一端连接到电阻R1；由易失性阈值转变器件TSM、电阻R2及电容C构成放电回路，所述易失性阈值转变器件TSM与电阻R2构成串联电路，所述电容C的第一端与易失性阈值转变器件TSM相连，第二端与所述电阻R2的一端相连并接地，所述电阻R2的另一端作为神经信号动作电位输出。本公开可以实现生物神经元的积分发射特点，有利于类脑神经芯片的实现。

【技术实现步骤摘要】
基于易失性阈值转变器件的神经元电路
本公开涉及类脑仿生领域，尤其涉及一种基于易失性阈值转变器件的神经元电路。
技术介绍
在人的大脑中，有约百亿个神经元和百万亿个神经突触。这些数量庞大的神经元和神经突触组成复杂的神经网络，信号可以在这个复杂的网络中相互传递。大脑可并行处理任务，且功耗极低。神经科学与生物科学家们不断地实验探索出一些大脑的功能区、功能，然而在现实世界中却没办法完全复制，这是由于传统的固态器件(例如CMOS器件及集成电路)没有内在的自我学习能力，只能通过外加的控制电路和软件编程来实现，且功耗不能与生物神经网络比拟。忆阻器件的实验实现，为突破这样一个瓶颈提供了契机。忆阻器是一种新型信息器件，其电阻值连续可调，当前电阻值的大小与流经的电荷或者通量有关，也被称为除电阻、电容、电感之外的第四种基本的电子元器件，这种阻值连续可调的特性可以用来模拟神经突触权重的连续变化。迄今为止，基于忆阻器的神经突触已实现了突触的长时程可塑性、短时程可塑性和峰时依赖可塑性等多种功能。并陆续有工作报道实现了基于忆阻器神经突触的图像识别、联想记忆、感知分类、面部识别等系统性功能。对于类脑仿生工作，突触模拟的实现是类脑模拟的一个跨越，为将来在进一步的工作优化中实现硬件上的神经网络开辟了曙光。除了神经突触，神经元是神经网络中另一个不可或缺的部分，但目前报道的基于忆阻器实现神经元的工作却是很好，且多是采用金属绝缘体转变类型的器件实现，该类型的制备条件较为苛刻，不利于普遍性使用。对于基于忆阻器件的神经网络走向应用而言，单元结构的神经元和神经突触器件的实现是复杂网络实现的基础。单元结构神经元的实现在类脑仿生工作中是非常重要的。公开内容(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于易失性阈值转变器件的神经元电路，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种利用易失性阈值转变器件的神经元电路，包括：电容C、易失性阈值转变器件TSM及电阻R1、R2，其中：由电阻R1、电容C及激励输入构成充电回路，所述电阻R1与电容C的第一端串联构成RC串联电路，所述电容C的第二端接地并作为激励输入的一端，所述激励输入的另一端连接到电阻R1；由易失性阈值转变器件TSM、电阻R2及电容C构成放电回路，所述易失性阈值转变器件TSM与电阻R2构成串联电路，所述电容C的第一端与易失性阈值转变器件TSM相连，第二端与所述电阻R2的一端相连并接地，所述电阻R2的另一端作为神经信号动作电位输出。在本公开一些实施例中，所述易失性阈值转变器件在端电压从零开始增加到阈值电压Vth2过程中，处于高阻态；当超过该阈值后，处于低阻态；当电压回扫时且回扫电压小于阈值电压Vth1后，该器件自发回到高阻态，其中，所述阈值电压Vth2大于阈值电压Vth1。在本公开一些实施例中，所述易失性阈值转变器件包括：衬底；下电极，形成于衬底上，所述下电极采用惰性导电金属材料；功能层，形成于下电极上，所述功能层材料采用绝缘体或半导体材料；上电极，形成于功能层上，所述上电极采用活性金属材料；其中，所述功能层用于将上下电极电性隔离，使得器件的初始态为高阻态，并在器件端电压超过阈值电压时为导电通路的生长提供媒介。在本公开一些实施例中，所述衬底材料为硅片、石英或有机柔性薄膜；所述下电极采用Pd、Au、Ru、Pt，TiN、TaN、ITO、W、Ta中至少一种；述功能层材料采用SiO2、HfO2、SiNx、TaOx、MgOx、a-Si中至少一种；所述上电极材料采用Ag或Cu中至少一种。在本公开一些实施例中，所述上电极和下电极通过电子束蒸发、脉冲激光沉积或溅射方法中的一种制备完成；所述功能层通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或溅射方法中的一种制备完成。在本公开一些实施例中，所述易失性阈值转变器件的制备包括在衬底上通过光刻制备下电极图形，沉积下电极薄膜；在下电极上通过光刻制备功能层图形，沉积功能层薄膜；在功能层上通过光刻制备上电极图形，沉积上电极薄膜。在本公开一些实施例中，所述电阻R1代表与该神经元相连的前神经突触，该电阻值的大小为神经网络中与之相连的神经突触权重值W1的倒数，即R1＝1/W1；所述电阻R2电阻值介于阈值转变器件的高阻态阻值和低阻态阻值之间，所述电阻R2的电阻值与调节神经元电路的放电速度相关联，放电时间常数τ放＝R2*C；所述电容C是固定电容或可变电容，所述电容值范围为1fF至1μF。在本公开一些实施例中，所述神经元电路产生神经信号的过程中只有电容两端的电压在易失性阈值转变器件上的分压达到阈值电压Vth2，才会有神经信号的输出。在本公开一些实施例中，所述神经元电路在充电过程中，易失性阈值转变器件的端电压小于阈值电压Vth2，该器件处于高阻态，此时充电回路的时间常数远小于放电回路的时间常数；当易失性阈值转变器件的端电压超过阈值电压Vth2时，该器件转变为低阻态，此时放电回路的时间常数远小于充电回路的时间常数，由电阻R2两端的电压作为动作电位，产生神经信号输出。在本公开一些实施例中，所述激励输入是电流激励或电压激励；所述神经信号的输出是通过输入信号激励在时间上的累加产生的，输出神经信号的周期频率在预定范围内会随着输入刺激的增大而增大。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于易失性阈值转变器件的神经元电路至少具有以下有益效果其中之一：(1)利用基于易失性阈值转变器件的设计，可以实现生物神经元的积分发射特点，有利于类脑神经芯片的实现；(2)通过改变并联电阻R2的电阻值，可以调节神经元电路的放电速度；并且通过改变并联电容的电容值，可以调节神经元电路的充电速度，有益于不同类型神经元的实现；(3)由于电阻R1代表与该神经元相连的前神经突触，该电阻值的大小代表神经网络中的权重值，有利于构建复杂连接的人工神经网络；(4)利用上述该专利技术实现的神经电路结构简单，有利于电路实现和集成；并且利用阈值转变器件的易失性特性，相比于传统CMOS电路减少了重置操作，能耗大大降低。附图说明图1是本公开实施例基于易失性阈值转变器件的神经元电路原理示意图。图2是本公开实施例易失性阈值转变器件的I-V曲线测量结果图。图3是本公开实施例神经元电路产生的动作电位测试图。图4是本公开实施例神经元电路在不同强度的输入下电容两端的积分电压测试图。图5是本公开实施例基于易失性阈值转变器件的神经元电路实现方法流程图。图6为本公开实施例易失性阈值转变器件的制备下电极过程示意图。图7为本公开实施例易失性阈值转变器件的制备功能层过程示意图。图8为本公开实施例易失性阈值转变器件的制备上电极过程示意图。具体实施方式本公开提供了一种基于易失性阈值转变器件的神经元电路实现方法，制备的阈值转变器件具有工艺简单，可大规模集成的优点。基于该阈值转变器件实现的神经元电路具有神经元的累积功能和阈值效应且能根据输入刺激强度的不同输出不同频率的神经元信号。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种利用易失性阈值转变器件的神经元电路。图1是本公开实施例基于易失性阈值转变器件的神经元电路原理示意图。如图1所示，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用易失性阈值转变器件的神经元电路，包括：电容C、易失性阈值转变器件TSM及电阻R1、R2，其中：由电阻R1、电容C及激励输入构成充电回路，所述电阻R1与电容C的第一端串联构成RC串联电路，所述电容C的第二端接地并作为激励输入的一端，所述激励输入的另一端连接到电阻R1；由易失性阈值转变器件TSM、电阻R2及电容C构成放电回路，所述易失性阈值转变器件TSM与电阻R2构成串联电路，所述电容C的第一端与易失性阈值转变器件TSM相连，第二端与所述电阻R2的一端相连并接地，所述电阻R2的另一端作为神经信号动作电位输出。

【技术特征摘要】
1.一种利用易失性阈值转变器件的神经元电路，包括：电容C、易失性阈值转变器件TSM及电阻R1、R2，其中：由电阻R1、电容C及激励输入构成充电回路，所述电阻R1与电容C的第一端串联构成RC串联电路，所述电容C的第二端接地并作为激励输入的一端，所述激励输入的另一端连接到电阻R1；由易失性阈值转变器件TSM、电阻R2及电容C构成放电回路，所述易失性阈值转变器件TSM与电阻R2构成串联电路，所述电容C的第一端与易失性阈值转变器件TSM相连，第二端与所述电阻R2的一端相连并接地，所述电阻R2的另一端作为神经信号动作电位输出。2.根据权利要求1所述的神经元电路，所述易失性阈值转变器件在端电压从零开始增加到阈值电压Vth2过程中，处于高阻态；当超过该阈值后，处于低阻态；当电压回扫时且回扫电压小于阈值电压Vth1后，该器件自发回到高阻态，其中，所述阈值电压Vth2大于阈值电压Vth1。3.根据权利要求1所述的神经元电路，所述易失性阈值转变器件包括：衬底；下电极，形成于衬底上，所述下电极采用惰性导电金属材料；功能层，形成于下电极上，所述功能层材料采用绝缘体或半导体材料；上电极，形成于功能层上，所述上电极采用活性金属材料；其中，所述功能层用于将上下电极电性隔离，使得器件的初始态为高阻态，并在器件端电压超过阈值电压时为导电通路的生长提供媒介。4.根据权利要求3所述的神经元电路，其中，所述衬底材料为硅片、石英或有机柔性薄膜；所述下电极采用Pd、Au、Ru、Pt，TiN、TaN、ITO、W、Ta中至少一种；所述功能层材料采用SiO2、HfO2、SiNx、TaOx、MgOx、a-Si中至少一种；所述上电极材料采用Ag或Cu中至少一种。5.根据权利要求4所述的神经元电路，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琦，张续猛，刘明，吕杭柄，龙世兵，赵晓龙，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11