Memristor flexible basado en Hf0.5Zr0.5O2 depositado en capa atómica con plasticidad sináptica a corto / largo plazo

Antecedentes

El esquema informático clásico de von Neumann está sufriendo un cuello de botella en la transferencia de información entre el centro de procesamiento y las unidades de almacenamiento [1]. A través de la emulación de cerebros biológicos, la computación neuromórfica se ha convertido en un candidato atractivo con la capacidad de aprendizaje y memoria en un solo sistema [2, 3]. Las sinapsis electrónicas, con la capacidad de imitar el comportamiento bio-sináptico, son la base de los sistemas neuromórficos. Recientemente, varios memristores han emulado comportamientos bio-sinápticos, incluidos dispositivos de dos terminales y nuevos transistores sinápticos de tres terminales basados ​​en defectos iónicos [4, 5]. Con conductancia dependiente de la historia, se informó que los memristores simulan la depresión a largo plazo (LTD) o potenciación (LTP), fluctuación de pulso par (PPF), depresión de pulso emparejado (PPD) y plasticidad dependiente del tiempo de picos (STDP). ) [6,7,8]. Especialmente, LTP / LTD es vital para la clasificación de rostros, el reconocimiento digital y otras aplicaciones de inteligencia artificial basadas en la modificación sináptica del peso [9,10,11]. El STP, que se origina a partir de la respuesta de corriente postsináptica inmediata, se utiliza ampliamente para el filtrado de información y la transmisión instantánea de señales [12].

Se estudió una variedad de sistemas de materiales para sinapsis artificiales con plasticidad bio-sináptica, incluido HfO ₂ , ZnO, WO _x , TaO _x , InGaZnO, polímeros orgánicos y dicalcogenuros de metales de transición 2D (TMDC) [13,14,15,16,17,18,19]. Entre ellos, Hf _0.5 Zr _0.5 O ₂ (HZO) es uno de los materiales novedosos de alta k y compatible con el proceso de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) [20]. Aunque se ha informado de dispositivos sinápticos artificiales basados ​​en HZO, el proceso de preparación a alta temperatura es difícil de evitar [21,22,23].

Por otro lado, los dispositivos sinápticos artificiales flexibles se estudiaron ampliamente para satisfacer la creciente necesidad de aplicaciones portátiles de inteligencia artificial [24, 25]. Sin embargo, el proceso de preparación a alta temperatura es un impedimento para la aplicación de un sustrato flexible. Aunque se propuso un proceso de transferencia para resolver el problema, la alta tasa de fallas y los defectos de arrugas causados ​​por la transferencia dificultan el uso a gran escala de este método [26, 27]. Vale la pena señalar que el procesamiento a baja temperatura no daña los sustratos flexibles, que es una forma eficaz de desarrollar matrices sinápticas portátiles a gran escala.

En este trabajo, se desarrolló una técnica ALD de baja temperatura para memristor basado en HZO (PET / ITO / HZO / Ag). En este memristor se demostró un proceso de conmutación de conductancia gradual. Sobre la base de las características de conmutación de resistencia gradual, se emuló la plasticidad sináptica típica, incluidas LTP / LTD, STP, PPF y curvas de olvido. Con la función de sinapsis biológicas, el memristor flexible basado en HZO es atractivo para futuras aplicaciones en un sistema de computación neuromórfica.

Métodos

El dispositivo sináptico flexible se preparó sobre un sustrato de tereftalato de polietileno (PET) revestido con ITO, que se limpió con acetona, isopropanol y agua desionizada y se secó con N ₂ fluir. Se depositó una película de HZO de 10 nm de espesor sobre un sustrato de PET / ITO mediante ALD con el gas portador de N ₂ . Los precursores fueron tetrakis (etilmetilamino) hafnio (TEMAH), tetrakis (etilmetilamino) circonio (TEMAZ) y H ₂ O, y la temperatura de crecimiento de la cámara de ALD se mantuvo a 130 ° C. Luego, una capa de electrodo superior (TE) de Ag de 50 nm con un área de 100 × 100 μm ² fue depositado por deposición física de vapor (PVD) seguido de fotolitografía y proceso de despegue. La estructura de PET / ITO / HZO / Ag se muestra en la Fig. 1. El electrodo superior de Ag y el electrodo inferior de ITO corresponden a la neurona presináptica y postsináptica en la sinapsis biológica.

Ilustración esquemática de la sinapsis biológica entre neuronas y sinapsis eléctricas artificiales. Una biosinapsis estaba compuesta por neurona presináptica, hendidura sináptica y neurona postsináptica. La sinapsis eléctrica flexible basada en HZO se fabricó con la estructura de ITO / HZO / Ag sobre el sustrato de plástico a baja temperatura

Las características eléctricas se realizaron utilizando un analizador de parámetros de semiconductores (Agilent B1500A) en el entorno atmosférico a temperatura ambiente. El electrodo inferior se conectó a tierra mientras que el sesgo de programación se aplicó al electrodo superior.

Resultados y discusión

La Figura 2a muestra la curva de conmutación resistiva bipolar típica del memristor con el cumplimiento de corriente de 500 uA. El voltaje de barrido se aplicó en una secuencia de 0 → 2 V → 0 V para el proceso de ajuste, y la resistencia pasó del estado de alta resistencia (HRS) al estado de baja resistencia (LRS). Por el contrario, se aplicó un voltaje negativo de 0 V a -2 V y se volvió a 0 V para el proceso de reinicio. La característica de cambio gradual en los barridos de sesgo positivo y negativo indica el potencial del memristor basado en HZO que emula comportamientos sinápticos. La probabilidad acumulada de voltajes operativos en el proceso de ajuste y reinicio durante ciclos de barrido consecutivos se muestra en la Fig. 2. Las medias (μ) del voltaje establecido y el voltaje de reinicio son 0.99 V y -1.33 V, respectivamente, que mostró el nivel medio de tensión de funcionamiento. La desviación estándar (σ) de la tensión de funcionamiento (0,245 para el proceso de ajuste y 0,566 para el proceso de reinicio) indica el grado de desviación del centro. La fluctuación relativa de los datos podría describirse como un coeficiente de varianza (σ / μ). Se obtuvo una uniformidad superior en el proceso de fraguado, mientras que la variación de la resistencia HRS y el voltaje de reinicio son notables, lo que podría atribuirse al proceso de formación y ruptura del filamento conductor (CF) de átomos de Ag. Durante el proceso de operación del conjunto, el tamaño o número de CF aumentaría. El nivel actual del dispositivo es casi linealmente proporcional al incremento de FC. Durante el proceso de reinicio, los CF se romperían y disminuirían. Mientras que el nivel actual del dispositivo depende exponencialmente de la longitud de ruptura de los CF [28]. Un pequeño cambio de CF durante el proceso de reinicio podría resultar en cambios obvios de resistencia y voltaje de reinicio. La relación ENCENDIDO / APAGADO de μ en un dispositivo basado en HZO fue mayor que 300, como se muestra en la Fig. 2c.

un Características de conmutación resistiva del dispositivo basado en HZO medidas por barrido de CC. b Distribución de las tensiones de set y reset extraídas de los ciclos de barrido de CC en dispositivo flexible. c Datos estadísticos de HRS y LRS, donde la resistencia se midió a un voltaje de lectura de 0.1 V

Además de los comportamientos de conmutación de resistencia gradual en el barrido de CC, el dispositivo con conductancia modulada podría programarse mediante una secuencia de pulsos consecutivos. Como se muestra en la Fig. 3a, la conductancia podría modularse gradualmente para emular LTP y LTD con 400 pulsos de programación consecutivos, lo que indica el potencial del dispositivo sináptico para la computación neuromórfica. Con 200 pulsos positivos consecutivos (0 .8 V, 20 ms) y 200 pulsos negativos (-0 .5 V, 20 ms), la conductancia del dispositivo sináptico se potenció y deprimió gradualmente. El estado de conductancia se obtuvo con un voltaje de lectura de 0,1 V después de cada pulso consecutivo. El olvido es uno de los fenómenos comunes en el cerebro humano, que podría simularse mediante la relajación de la corriente postsináptica en las sinapsis eléctricas. Después de una serie de pulsos, la corriente postsináptica (PSC) decayó y pasó a un estado intermedio con el tiempo, como se muestra en la Fig. 3b. La curva del olvido podría ajustarse a la ecuación de Kohlrausch que se usaba con frecuencia en psicología:

$$ I (t) ={I} _0 + A \ exp \ left (-t / \ tau \ right) $$ (1)

donde I (t) es el PSC en el momento de t , yo ₀ es la corriente estabilizada, A es un prefactor y τ es una constante de tiempo de relajación. En el dispositivo sináptico artificial, la constante τ fue de 57 s que se utilizó para evaluar las características de olvido.

un Modulación de conductancia gradual para LTP y LTD en la sinapsis flexible artificial, donde la corriente postsináptica se obtuvo a un voltaje de lectura de 0,1 V. b Olvidar comportamientos después de 100 pulsos de programación consecutivos (1 V, 50 ms) y curvas ajustadas de la sinapsis eléctrica

Para comprender mejor el mecanismo de trabajo del dispositivo sináptico basado en HZO, los filamentos conductores (CF) en diferentes estados se muestran en la Fig. 4. La formación y ruptura de los CF se debió a la migración de átomos de Ag y Ag + . Cuando se aplicó el estímulo de programación positivo al electrodo superior, los átomos del electrodo superior se oxidaron a Ag ⁺ , que se acumularon en el electrodo inferior y se redujeron a átomos de Ag. En la Fig. 4a-c, el grosor y el diámetro de la CF aumentaron ligeramente del estado I al estado III, lo que indujo el aumento de la conductancia [29]. Por el contrario, el puente de átomos de Ag se rompió con un efecto débil sobre la conductancia después de aplicar una serie de picos negativos en el memristor, como se muestra en la figura 4d-f. Los comportamientos típicos de LTP y LTD en este dispositivo sináptico artificial basado en HZO se organizaron a partir de la formación gradual y la ruptura de la FQ, respectivamente.

un - c Los diagramas esquemáticos de la formación de la ruta conductora de cationes Ag bajo pulsos positivos consecutivos en LTP. d - f Rotura del filamento conductor después de pulsos negativos consecutivos en LTD

La plasticidad sináptica a corto plazo es crucial para las bio-sinapsis tanto excitadoras como inhibidoras, que se considera que desempeñan un papel importante en el tratamiento de la información temporal [30, 31]. Los comportamientos PPF y PPD son fenómenos típicos a corto plazo organizados a partir de dos picos sinápticos consecutivos con un intervalo corto. Esta plasticidad también fue imitada con éxito en nuestro dispositivo sináptico flexible basado en HZO. La función PPF fue la mejora a corto plazo de los pesos sinápticos desencadenada por un par de picos (2 V, 10 ms) con un intervalo de 60 ms, como se muestra en la Fig. 5a. Por el contrario, la corriente de respuesta del segundo pico es menor que la del pico anterior, que se describe como PPD y se simula mediante dos pulsos negativos (-1 .5V, 10 ms) con un intervalo de 60 ms.

un Comportamiento típico de PPF inducido por un par de picos presinápticos (2 V, 10 ms). b El fenómeno PPD de la sinapsis flexible artificial bajo picos inhibidos (-1 .5V, 10 ms)

Para demostrar la fiabilidad de la plasticidad a largo plazo en nuestro dispositivo sináptico, se midieron las características de retención durante más de 1000 s. Como se muestra en la Fig. 6, el PSC en los estados excitador e inhibitorio se leyó con un sesgo de 0,1 V después de un solo pico presináptico. El comportamiento de retención a largo plazo de nuestro dispositivo basado en HZO muestra el potencial de almacenamiento, y la conductancia modulada consecutiva allana el camino para la función de memoria, que podría integrarse en un sistema.

un Las características de retención de la sinapsis eléctrica bajo pulso de programación positivo, que indican los comportamientos potenciales a largo plazo. b En el proceso LTD, la corriente postsináptica podría inhibirse con un solo pulso negativo (- 0 .5V, 20 ms) y el estado de conductancia podría permanecer estable durante más de 1000 s

Conclusiones

En resumen, se propuso un dispositivo sináptico artificial flexible basado en HZO basado en ALD de baja temperatura. Las características típicas de conmutación resistiva bipolar se demostraron en este memristor flexible. Al aplicar pulsos consecutivos en el electrodo superior, la sinapsis eléctrica simuló la plasticidad a largo plazo y la plasticidad a corto plazo, incluidos LTP, LTD, PPF, PPD y comportamientos de olvido. La conductancia gradualmente modulada podría atribuirse a la trayectoria del filamento conductor de iones de Ag controlable. La sinapsis eléctrica flexible se convierte en uno de los candidatos prometedores para la implementación de hardware de circuitos neuromórficos.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

HRS:

Estado de alta resistencia

LRS:

Estado de baja resistencia

LTD:

Depresión prolongada

LTP:

Potenciación a largo plazo

STP:

Plasticidad a corto plazo

Revisando la emisión de conversión ascendente de rojo mejorada de un único microcristal de β-NaYF4:Yb / Er mediante el dopaje con iones Mn2 + Deposición de nanopartículas de conversión ascendente modificadas con anticuerpos sobre vidrio mediante un método asistido por láser para mejorar el rendimiento del cultivo celular