一种基于忆阻器混合集成的人工异或型树突及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于忆阻器的混合集成电路单元，实现对异或型树突的核心功能模拟。本发明专利技术利用二极管的非线性、忆阻器RESET的电学特性以及晶体管的沟道电阻可调的特点，将三者进行串联实现异或型树突的“异或”逻辑以及模拟抑制性信号施加时对逻辑功能的影响。其异或型树突的非线性电学特性可以作为神经网络中的激活函数，使得单层感知机网络即可区分线性不可分的数据，其简单的电路单元结构比传统的CMOS激活函数单元需要更少的器件数量以及更小的面积，因此可以明显优化芯片整体性能。因此可以明显优化芯片整体性能。因此可以明显优化芯片整体性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于忆阻器混合集成的人工异或型树突及其实现方法


[0001]本专利技术属于半导体、微电子加工和CMOS混合集成电路
，具体涉及一种适用于类脑计算中树突功能实现的器件结构设计、单元匹配以及电学操作方法。

技术介绍

[0002]随着互联网技术的普及，人类生活的方方面面都发生了很大变化，并随时随地产生大量数据。而存储器和运算器分离的传统冯诺依曼计算架构，大量的数据在总线上进行来回搬运，使得计算速度无法得到进一步的提升，从而在如今依靠大数据计算的人工智能时代显示出明显的不足。
[0003]为了解决数据与计算的矛盾，人们提出了一些新型的计算范式，包括量子计算、存内计算和类脑计算等等。其中的类脑计算，借鉴了人类大脑的计算特点，通过模拟神经元单元，对大量的数据进行高效并行的处理。
[0004]近年来，人们在硬件模拟人脑进行神经形态计算方面取得了很大的进步，包括利用基于氧化物的忆阻器、相变存储器、铁电存储器和新型晶体管器件等来模拟突触的多种可塑性，包括短时程、长时程、时间依赖、频率依赖等各种可塑性。除此之外，人们还利用基于CBRAM、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人工异或型树突混合集成电路单元，包括二极管、忆阻器和晶体管，三者进行异质集成，通过金属互联技术串联起来，其中所述忆阻器为双极性忆阻器，忆阻器的底电极与二极管的负极相连，忆阻器的顶电极与晶体管的漏端或者源端相连；在二极管正极引出两个输入端，以输入的电压幅值作为逻辑输入变量，将对应晶体管沟道电流作为逻辑输出变量，从而模拟异或型树突的计算。2.如权利要求1所述的混合集成电路单元，其特征在于，所述二极管是硅衬底掺杂的P
‑
N结二极管，或者是金属和半导体接触的肖特基二极管。3.如权利要求1所述的混合集成电路单元，其特征在于，所述忆阻器为底电极
‑
阻变层
‑
顶电极的MIM堆垛结构，通过在顶电极施加电压控制阻变层的阻值翻转。4.如权利要求3所述的混合集成电路单元，其特征在于，所述忆阻器中，阻变层的材料为无定形硅a
‑
Si，或者是金属氧化物Al2O
x
、TiO
x
、ZrO
x
、TaO
x
或HfO
x
，阻变层厚度在5～100nm之间；底电极和顶电极的材料选自Ti、Cr、Sc、Al、Pd、Au、Pt、W、TiN、TaN，电极厚度为1～300nm。5.如权利要求1所述的混合集成电路单元，其特征在于，所述晶体管为硅基NMOS平面器件或者硅基FinFET结构型器件，或者基于金属半导体氧化物ZnO、a
‑
IGZO、ITO或者宽禁带材料GaN的场效应晶体管。6.一种利用混合集成电路单元模拟异或型树突计算的方法，实现异或逻辑操作并模拟施加抑制信号时的逻辑变化，包括以下步骤：1)通过金属互联技术将二极管、忆阻器与晶体管串联起来，其中所述忆阻器为双极性忆阻器，其底电极与二极管的负极相连，顶电极与晶体管的漏端或者源端相连；2)对忆阻器进行初始化，通过在顶电极和底电极之间施加正向电压，并且施加限制电流，让器件从高阻状态切换到低阻状态；3)通过对晶体管的栅极施加高电平，让其处于开态；在二极管正极端输入电信号，晶体管的沟道电流作为输出；此时忆阻器处于低阻状态，随着输入电压幅值不断增大，输出电流会先增加，当超过某一个阈值电压时，使得忆阻器发生RESET，从低阻状态切换到高阻状态，输出电流会迅速减小，之后电流随着电压增加的上升幅度明显减小；4)实现异或逻辑：规定输入的电压幅值作为逻辑输入变量，高电平为逻辑“1”，低电平为逻辑“0”，将对应晶体管沟道电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉超，杨振，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：