利用亚纳秒热累积效应调控RRAM增强特性的研究

《IEEE Electron Device Letters》：Exploiting Thermal Accumulation on Sub-ns Timescales for Tuning Potentiation of RRAM

本刊编辑推荐：研究人员针对如何实现RRAM在超高频段的短时可塑性调控这一难题，开展了基于热累积效应的亚纳秒级脉冲频率调制研究。通过设计延迟时间低至50 ps的脉冲序列实验，首次在无额外加热脉冲条件下证实了250 ps内热时间常数对导电态演变的调控作用，为开发亚纳秒级神经形态计算系统提供了关键技术支撑。

　　

在人脑启发的神经形态计算领域，阻变存储器(RRAM)因其能够模拟生物突触的渐变导电特性而备受关注。然而，传统RRAM器件在亚纳秒时间尺度上的短时可塑性(STP)调控仍面临挑战，特别是如何在不引入额外调控脉冲的前提下实现超快热动力学行为的精准控制。这一瓶颈严重制约了高频神经形态计算系统的发展。

发表于《IEEE Electron Device Letters》的这项研究通过创新性实验设计，首次揭示了基于价变机制(VCM)的RRAM器件在亚纳秒脉冲序列中的热累积效应。研究团队发现，当脉冲间隔缩短至250 ps以内时，器件内部因焦耳热产生的温度场会形成显著的热累积，从而加速导电态转变过程。这一现象为利用温度作为第二状态变量实现超快短时可塑性提供了新途径。

关键技术方法包括：采用定制脉冲图案发生器产生宽度100 ps、延迟时间50-500 ps可调的脉冲序列；通过高速示波器测量TaO_x基VCM器件的电流响应；开发电荷积分法从脉冲响应中提取导电态值；利用500次循环测量平均化循环间变异性的影响。

实验结果分析

渐变开关特性

在1.5-2.1 V电压范围内，器件均呈现典型的渐变开关行为。脉冲数增加时导电态逐渐饱和，且较高电压下开关速度更快。通过统计500次循环的测量数据，验证了实验结果的可靠性。

频率依赖特性

延迟时间在50-250 ps范围内，导电态增长速率显著提升，而超过250 ps后频率效应消失。这表明器件存在约80 ps的热时间常数，与仿真预测的亚纳秒级热动力学过程相符。相对导电变化分析显示1.8 V电压下动态范围最优，说明存在电压调控的"甜点"区域。

讨论与意义

研究证实了亚纳秒尺度热累积效应的存在，将RRAM的短时可塑性调控范围扩展至250 ps时间窗。这种自加热机制无需额外脉冲即可实现频率依赖的开关行为调控，为设计超快神经形态电路提供了新思路。通过材料与结构优化调控热时间常数，可进一步适配不同时间尺度的神经计算任务。

该工作首次在无辅助加热条件下实现了亚纳秒级脉冲频率调制，突破了传统方法在100 ns时间尺度的限制。这种基于本征热动力学的调控方法，为开发工作频率达GHz级的神经形态芯片奠定了物理基础，有望推动类脑计算向更高时间精度发展。