摘要

随着人工智能（AI）的蓬勃发展，传统的基于互补金属氧化物半导体器件的冯·诺依曼计算架构正面临着内存墙和电源墙。基于忆阻器的内存计算可以潜在地克服当前计算机的瓶颈，实现硬件突破。本文综述了近年来存储器器件在材料和结构设计、器件性能和应用方面的进展。介绍了各种电阻开关材料，包括电极、二元氧化物、钙钛矿、有机物和二维材料，并讨论了它们在忆阻器中的作用。随后，分析了成型电极的结构、功能层的设计等影响器件性能的因素。我们重点讨论了电阻的调制以及提高性能的有效方法。此外，还介绍了突触的可塑性、光电特性、在逻辑运算和模拟计算中的流行应用。最后，讨论了电阻切换机制、多传感器融合、系统级优化等关键问题。

关键词：人工智能、内存计算、忆阻器、材料与结构设计、器件性能

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1. 介绍

人类社会正面临着大数据时代对人工智能日益增长的需求与计算能力不足的矛盾。当前的冯·诺依曼体系结构在智能计算中存在存储和计算分离的两个严重问题[1]：1。内存的访问速度远远落后于中央处理器（CPU）的计算速度，大大降低了中央处理器的利用率，被称为“内存墙”[2，3]；2.数据传输造成的功耗损失严重破坏了芯片的发展，被称为“电源墙”[4]。正如摩尔定律所预测的那样，通过不断缩小设备尺寸来增强计算能力，缓解了冯·诺依曼瓶颈[5，6]，但这些方法仍然属于冯·诺伊曼架构，数据的存储和计算仍然相互分离，无法从根本上解决问题。因此，研究人员研究了具有非冯-诺依曼体系结构的新计算系统[7，8]。

以脑启发计算为代表的内存计算体系结构是非冯-诺依曼体系结构之一[9，10]。然而，在过去的几十年里，它的发展速度有所放缓，这主要是由于缺乏一种能够实现集成存储和计算系统架构的物理设备。直到忆阻器的出现，这个问题才得以解决。Leon O.Chua于1971年提出了理论忆阻器作为第四个基本电路元件[11]，Strukov等人于2008年在惠普（HP）实验室对忆阻器的第一个物理实现进行了实验验证[12]。忆阻器结构简单，读写速度快，可扩展性好，密度高，成本低，与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容。

在未来，忆阻器是高密度、高能效、超快、低延迟、低功耗、大容量非易失性存储器的一个很有前途的候选者。因此，许多公司（三星、松下、惠普、美光、索尼、长江存储技术有限公司（YMTC）、Crossbar等）都在从事忆阻器的研发。模拟神经元或突触的传统方法需要数十种传统电子设备，如晶体管和电容器[7]。尽管近年来基于传统CMOS技术的大脑启发计算系统取得了突破[13]，但在集成和功耗方面仍存在许多挑战。忆阻器在外加电场下具有连续可调的电阻，是理想的神经突触仿生组件，为高密度、低功耗的大脑启发计算芯片提供了潜在的解决方案。此外，忆阻器阵列可以构建更集成的神经网络结构，包括人工神经网络（ANN）卷积神经网络（CNNs）、深度神经网络（DNNs）、递归神经网络（RNNs）和尖峰神经网络（SNNs）。忆阻器阵列直接使用欧姆定律进行加法运算，使用基尔霍夫定律进行乘法运算，从而实现了神经网络所需的并行乘法累加（MAC）运算，从而显著提高了神经网络的速度和功率效率[14]。

在这篇综述中，如方案1所示，介绍了忆阻器的各种电阻开关（RS）材料2. 忆阻器材料

忆阻器主要具有金属-绝缘体-金属（MIM）夹层结构，包括两层电极和由半导体或绝缘体形成的中间电阻层。忆阻器的性能和电阻机制与器件的组成材料密切相关，包括SET/RESET电压、开/关比、开关速度、耐久性、保持率、功耗等。

2.1电极材料

忆阻器电极不仅承载电流，还可以参与电阻反应。它们通常由以下材料制成：传统金属[27-31]、贵金属[32，33]、合金[34-36]、碳基材料如石墨烯[37]和碳纳米管[38]、氮化物如TiN[16]和TaN[39]、透明导电柔性氧化物如铟锡氧化物（ITO）[29，39，40]和掺杂ITO[41]、氟掺杂氧化锡（FTO）[42-46]等。常见的电极材料根据其在RS行为中的不同作用可分为四种类型。首先，电极主要用作电流传导介质，对RS行为几乎没有影响。这种电极材料主要包括惰性金属，例如Au[32]和Pt[33]。其次，电极负责导电丝（CF）的形成，这正是基于阳离子迁移的忆阻器的情况。在这些忆阻器中，CF是通过电化学溶解和沉积电化学活性金属电极形成的，主要包括Cu[30]和Ag[27]。最后，有一些新的电极，如ITO[39]、FTO[42]、石墨烯[37]，它们通常用于制备柔性和透明忆阻器，使用CMOS工艺制备的TiN[16]电极，以及有意设计用于稳定RS行为的合金电极（如Cu-Te[36]、Hf-Ta[34]、Ag-Cu[35]等）。

2.2.RS材料

RS材料是忆阻器中最重要的部分，不同的RS材料具有不同的电阻特性。RS材料通常可分为无机材料和有机材料。无机材料（二元氧化物、钙钛矿、2D材料等）通常表现出更稳定、更快、更稳健的RS行为，而有机材料具有高灵活性、简单的制备方法和低成本的优点。

2.2.1、二元氧化物二元氧化物成分简单、稳定性高、成本低、制备工艺简单，与传统CMOS工艺兼容。它们包括TiOx[46–50]、SiOx[51–53]、AlOx[54]、NiOx[55，56]、CuOx[57，58]、ZnOx[59，60]、HfOx[61，62]、TaOx[63，64]、WOx[65，66]、ZrOx[67，68]、SnOx[69]等。特别是，HfOx和TaOx是最有前途的二元氧化物，因为它们的亚ns操作速度和超过1010次循环的极限耐久性[70]。在许多电阻材料中，二元氧化物是最丰富的，并具有优异的电阻特性，如HfOx中的超高导通/关断比>1010，HfOx[71]和TaOx[70]中的亚ns开关速度，以及TaOx[70]中的极限耐久性>1012个循环。然而，传统的二元氧化物存储器通常具有高功耗或低均匀性。为了解决这些问题，我们小组通过磁控溅射制备了具有ITO/Bi:SnO2/tin结构的掺铋氧化锡（Bi:SnO2）忆阻器。如图1（a）所示，Bi:SnO2忆阻器的自顺应性电流、开关电压和工作电流明显小于ITO/SnO2/TiN器件的自顺应电流、开关电流和工作电流。如图1（b）所示，Bi:SnO2忆阻器的高阻态（HRS）和低阻态（LRS）具有更高的电阻值，并且与SnO2器件相比，Bi:Sn2器件的工作电流降低了一个数量级以上。当Bi掺杂量为4.8%时，ITO/Bi:SnO2/TiN存储单元的掺杂器件的SET工作功率为16µW，为0.4 × 0.4 µm2，减少了两个数量级。对Bi:SnO2器件的透射电子显微镜（TEM）观察表明，铋原子包围SnO2晶体的表面，形成同轴的Bi-CFs[69]