Memristor flexible Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ por ALD a baja temperatura que exhibe plasticidad sináptica a corto y largo plazo

Resumen

Las sinapsis artificiales son la piedra angular de los circuitos neuromórficos, ofreciendo una vía para superar el cuello de botella de von Neumann. Usando un proceso de deposición de capas atómicas (ALD) a baja temperatura, fabricamos una sinapsis eléctrica flexible basada en Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO). El dispositivo muestra conmutación resistiva bipolar gobernada por la formación y ruptura gradual de filamentos conductivos de iones Ag. Bajo secuencias de picos pre-sinápticos, el memristor reproduce comportamientos biológicos clave —plasticidad a corto plazo (STP), potenciación/depresión a largo plazo (LTP/LTD), facilitación/depresión de pulso pareado (PPF/PPD) y dinámica de olvido— integrando así memoria y aprendizaje en una única plataforma flexible, lista para hardware neuromórfico de próxima generación.

Introducción

La arquitectura convencional de von Neumann lucha con el tráfico de datos entre procesadores y memoria, limitando el rendimiento en tareas intensivas en datos [1]. La computación neuromórfica emula circuitos corticales, proporcionando aprendizaje y memoria intrínsecos dentro de un sistema unificado [2,3]. Centrales en este enfoque son las sinapsis electrónicas que imitan la conductancia adaptativa de uniones biológicas. Avances recientes han demostrado una variedad de sinapsis memristivas —incluyendo dispositivos de dos terminales y transistores de defectos iónicos de tres terminales— capaces de reproducir fenómenos como depresión/potenciación a largo plazo (LTD/LTP), fluctuación de pulso pareado (PPF), depresión de pulso pareado (PPD) y plasticidad dependiente del tiempo de pico (STDP) [4-8]. LTD/LTP son esenciales para reconocimiento de patrones y tareas de IA [9-11], mientras que STP subyace al filtrado temporal y transmisión rápida de señales [12].

Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO) destaca como dieléctrico de alto-k compatible con procesos CMOS, pero la mayoría de sinapsis basadas en HZO reportadas requieren fabricación a alta temperatura que impide sustratos flexibles [20-23]. Los dispositivos sinápticos flexibles son cruciales para IA wearable, pero los pasos a alta temperatura introducen defectos durante la transferencia, limitando la escalabilidad [26,27]. ALD a baja temperatura ofrece una ruta amigable con el sustrato para arrays flexibles de gran área y libres de defectos.

Aquí presentamos un memristor PET/ITO/HZO/Ag fabricado a 130 °C mediante ALD. El dispositivo muestra conmutación resistiva gradual y reproduce fielmente un conjunto de comportamientos de plasticidad sináptica, convirtiéndolo en un candidato prometedor para sistemas neuromórficos de hardware.

Métodos

La pila flexible se construyó sobre ITO sobre polietileno tereftalato (PET). El sustrato se limpió secuencialmente con acetona, isopropanol y agua desionizada, y luego se secó bajo nitrógeno. Una película de HZO de 10 nm se depositó por ALD (portador N₂) usando precursores TEMAH, TEMAZ y H₂O a 130 °C. Posteriormente, un electrodo superior de Ag de 50 nm (100 × 100 µm²) se definió por deposición física de vapor, fotolitografía y lift-off. La estructura resultante PET/ITO/HZO/Ag (Fig. 1) mapea Ag e ITO a neuronas pre- y post-sinápticas, respectivamente.

Esquema de una sinapsis biológica y su contraparte artificial, fabricada en PET mediante ALD a baja temperatura.

Las mediciones eléctricas se realizaron con un analizador de parámetros Agilent B1500A en aire ambiente a temperatura ambiente. El electrodo inferior se conectó a tierra mientras que el electrodo superior recibió el sesgo.

Resultados y Discusión

La Figura 2a muestra la típica curva de conmutación resistiva bipolar bajo una corriente de compliance de 500 µA. Un barrido positivo de 0 → 2 V establece el dispositivo de estado de alta resistencia (HRS) a estado de baja resistencia (LRS), mientras que un barrido negativo de 0 → −2 V lo reinicia. La transición gradual en ambas polaridades confirma la idoneidad del dispositivo para emulación sináptica.

El análisis estadístico de 200 barridos DC consecutivos (Fig. 2b) produce voltajes medios de set y reset de 0,99 V y −1,33 V, con desviaciones estándar de 0,245 V y 0,566 V, respectivamente. El coeficiente de variación es menor para el proceso de set, reflejando mejor uniformidad. La relación ON/OFF supera 300 (Fig. 2c), demostrando una ventana resistiva robusta.

a Barrido DC revelando conmutación resistiva bipolar. b Distribución de voltajes de set y reset sobre 200 ciclos. c Relación ON/OFF y estadísticas de resistencia a 0,1 V de lectura.

Aplicar pulsos de voltaje consecutivos modula la conductancia del dispositivo de manera controlada. Con 200 pulsos positivos (0,8 V, 20 ms) seguidos de 200 pulsos negativos (−0,5 V, 20 ms), la conductancia aumenta (LTP) y disminuye (LTD) progresivamente (Fig. 3a), ilustrando plasticidad a largo plazo. Tras las secuencias de pulsos, la corriente post-sináptica (PSC) se relaja hacia un estado intermedio, imitando el olvido biológico (Fig. 3b). El decaimiento se ajusta a la función de Kohlrausch: I(t)=I₀+A exp(−t/τ) con τ = 57 s, cuantificando la constante de tiempo de olvido.

a Cambios graduales de conductancia bajo programación LTP/LTD. b Decaimiento de PSC tras 100 pulsos, ajustado al modelo de Kohlrausch.

El mecanismo subyacente involucra migración de iones Ag formando filamentos conductivos (CF). Sesgo positivo oxida Ag a Ag⁺, que migra y se reduce en el electrodo inferior, engrosando el CF (estados I–III) y aumentando la conductancia. Sesgo negativo rompe el filamento, reduciendo la conductancia (estados d–f) (Fig. 4). Esta dinámica reversible de CF sustenta la LTP/LTD observada.

a–c Crecimiento de CF durante pulsos positivos sucesivos (LTP). d–f Ruptura de CF durante pulsos negativos sucesivos (LTD).

La plasticidad a corto plazo se evidencia por facilitación de pulso pareado (PPF) y depresión de pulso pareado (PPD). Un par de 2 V, 10 ms con intervalo de 60 ms realza la segunda PSC (PPF), mientras que un par de −1,5 V la suprime (PPD) (Fig. 5). Estos comportamientos reflejan el filtrado temporal sináptico observado en biología.

a PPF inducido por un par de picos positivos. b PPD inducido por un par de picos negativos.

Pruebas de retención sobre 1000 s confirman corrientes post-sinápticas estables tanto en estados excitatorios (positivos) como inhibitorios (negativos) (Fig. 6), subrayando el potencial del dispositivo para almacenamiento de memoria a largo plazo.

a Retención a largo plazo tras un pulso positivo. b Estabilidad tras un pulso negativo sobre 1000 s.

Conclusiones

Hemos demostrado un memristor flexible PET/ITO/HZO/Ag fabricado por ALD a baja temperatura que exhibe conmutación bipolar fiable y un conjunto completo de fenómenos de plasticidad sináptica —LTP, LTD, PPF, PPD y olvido. La modulación gradual de la conductancia se origina en filamentos conductivos de iones Ag controlables. Este dispositivo constituye un bloque de construcción viable para hardware neuromórfico flexible y escalable capaz de aprendizaje y memoria simultáneos.

Abreviaturas

ALD

Deposición de capas atómicas

HRS

Estado de alta resistencia

LRS

Estado de baja resistencia

LTD

Depresión a largo plazo

LTP

Potenciación a largo plazo

STP

Plasticidad a corto plazo