剑桥大学团队研发新型忆阻器，开关电流仅为传统器件的百万分之一

IT之家 3 月 30 日消息，据 Tom's Hardware 报道，本月早些时候，剑桥大学的研究团队在《科学 · 进展》期刊发表论文，介绍了一种新型氧化铪忆阻器。这项新技术的核心亮点在于，其开关电流仅是传统氧化物器件的约一百万分之一。

该研究由剑桥大学材料科学与冶金系的巴巴克 · 巴希特博士牵头。团队研制出一种多元薄膜结构，薄膜内部可形成 PN 结，让器件能在低于 10 纳安的电流下平稳完成状态切换，同时可实现数百个独立电导档位。

据IT之家了解，忆阻器是两端电子元件，能够在同一物理位置存储并处理数据，彻底规避了传统计算机架构中，内存与运算单元之间频繁数据传输带来的高能耗问题。论文指出，基于忆阻器构建的神经形态计算系统，可将计算功耗降低 70% 以上。

目前绝大多数氧化铪基忆阻器依靠丝状阻变效应工作：导电细丝在氧化层内部生成、断裂。这类导电细丝具有随机特性，会导致器件个体差异大、循环稳定性差，严重限制计算精度。

剑桥团队采用全新研发思路：在氧化铪中掺入锶和钛元素，并通过两步工艺沉积薄膜。最终形成 P 型铪锶钛氧化物层，该层可与底层的 N 型氧氮化钛层自组装形成 PN 异质结。

器件电阻的变化依靠界面势垒高度调节实现，而非传统的导电细丝生成与断裂。

巴希特博士在剑桥大学的成果发布会上表示：“丝状忆阻器存在随机性缺陷。而我们的器件依靠界面实现开关切换，因此拥有极佳的循环一致性与器件均一性。”

测试数据显示：该器件开关电流低至 10⁻⁸安培及以下，数据保持时长超 10 万秒，脉冲开关耐久循环次数突破 5 万次。

研究人员使用与生物神经信号相近的 1.0 伏特脉冲信号测试，器件可在数百个独立档位中实现超 50 倍的电导调节范围，且无饱和现象。

器件突触更新能耗最低可达 45 飞焦，最高约 2.5 皮焦。同时可复刻脉冲时序依赖可塑性特性，在约 4 万次电脉冲刺激下保持稳定的突触工作性能。

当前薄膜沉积工艺需要约 700 摄氏度高温，远超标准 CMOS 芯片制造的工艺耐受温度。

巴希特坦言：“高温是目前器件制造面临的最大难题。我们正攻关低温工艺优化，使其适配主流工业制程。”

此外，该器件堆叠结构所用全部材料均兼容 CMOS 工艺，剑桥大学技术转化中心已为此技术提交专利申请。