华为新型忆阻器架构专利揭秘

忆阻器的发展是半导体行业的一大革新，在现有AI和5G发展的大趋势下，器件与材料的性能往往能使算法性能大大发挥出来，而忆阻器与存算一体技术则是目前最好的方案。

集微网消息，近年来，华为逐渐布局忆阻器芯片领域，利用忆阻器的工作特性将普通信号转换成可控电压电流，从而在物理上模仿神经元与神经突触的运作，将储存、计算功能合二为一，降低同类芯片成本的同时，能大大提升计算效率，在消费电子领域具有明显优势。

忆阻器是近些来迅速发展的具有记忆效应的非线性电阻，它的记忆效应使得其在存储器件、图像传感器、神经网络的传感等领域有广泛应用。由于纳米粒子材料具有常规材质所不具备的优异性能，当入射光子频率与纳米粒子的集体振动频率相匹配时，可以产生等离子体共振（LSPR），即产生光谱的特征吸收峰。忆阻器可利用纳米粒子的LSPR特性对周围介质的折射率进行传感，间接应用到传感器方面，然而纳米粒子只能对单一频段光响应，无法实现对不同种类物质的传感，限制了忆阻器的大范围应用。

针对这一问题，早在2015年6月5日，华为公司就提出一项名为“一种忆阻器和传感器”的发明专利（申请号：201510306360.9），申请人为华为技术有限公司与南京大学。

图1 忆阻器的结构示意图

此专利提出了一种新型忆阻器，能够对不同频率的光进行强烈吸收，以产生不同响应波长的 LSPR 现象，从而实现对不同种类物质的传感。忆阻器的结构如图1所示，包括反应电极102、转换层103和非反应电极 104，并依次并排在衬底表面，反应电极和非反应电极分别位于转换层的两侧并均与转换层形成电接触，利用这种结构，光可以避开转换层两侧的电极而直接照射在转换层上，更有利于该忆阻器在传感器方面的应用，提高传感的灵敏度、选择性、集成性。

图2 忆阻器制备流程图

此专利提出的忆阻器制备流程如图2所示，首先提供衬底，在衬底表面旋涂光刻胶，利用正性光刻胶的性能和无掩膜紫外光刻法得到反应电极图形，进而在带有反应电极图形的衬底上，利用磁控溅射法生长反应电极。在步骤S102中，在衬底的表面同样利用正性光刻胶的性能和无掩膜紫外光刻法得到转换层图形，之后在转换层图形上利用脉冲激光沉积（PLD）技术制备转换层。最后在衬底的表面制作非反应电极图形与非反应电极。

图3 忆阻器中转换层析出局部图与射线能量

在对此忆阻器进行性能测试时，施加一个横向电场，图3左侧展示了电场处理后转换层中的析出相在铜网上的高分辨透射电子显微像（HRTEM）图像，这些析出相是由许多直径约为 10nm 的颗粒构成，其傅里叶变换图像如左上角所示，展示了析出相的晶面指数。对左图中某一点采用高角环形暗场探头(HAADF)进行X射线能量色散光谱（EDS）分析，结果如图3右侧，表明该析出的枝晶状的纳米线。经测试，该忆阻器对不同频率的光均有强烈的吸收，产生不同响应波长的 LSPR 现象，从而实现对不同种类物质的传感。

忆阻器的发展是半导体行业的一大革新，在现有AI和5G发展的大趋势下，器件与材料的性能往往能使算法性能大大发挥出来，而传统芯片利用存储芯片来存储信息，中央处理器来负责计算，当数据量变大时，芯片之间的信息传输会造成功耗增加、额外延迟，而且芯片成本也高，而忆阻器与存算一体的发展则能够很好的解决这一问题，相信随着未来半导体行业的发展，忆阻器这一新型器件一定能够走上产业化的道路，带来巨大的经济效益。