Гибкий мемристор на основе Hf0.5Zr0.5O2, осажденный на атомном слое, с краткосрочной / долгосрочной синаптической пластичностью

Фон

Классическая вычислительная схема фон Неймана страдает узким местом передачи информации между центром обработки и блоками хранения [1]. Благодаря имитации биологического мозга нейроморфные вычисления стали привлекательным кандидатом со способностью к обучению и запоминанием в одной системе [2, 3]. Электронные синапсы, способные имитировать биосинаптическое поведение, являются основой нейроморфных систем. В последнее время биосинаптическое поведение имитируется различными мемристорами, включая двухконцевые устройства и новые трехконцевые синаптические транзисторы, основанные на ионных дефектах [4, 5]. При зависящей от истории проводимости мемристоры, как сообщалось, имитировали долговременную депрессию (LTD) или потенциацию (LTP), флуктуацию парных импульсов (PPF), депрессию парных импульсов (PPD) и пластичность, зависящую от времени всплеска (STDP). ) [6,7,8]. LTP / LTD особенно важен для классификации лиц, цифрового распознавания и других приложений искусственного интеллекта, основанных на модификации синаптического веса [9,10,11]. STP, возникающий в результате немедленного постсинаптического токового отклика, широко используется для фильтрации информации и мгновенной передачи сигнала [12].

Были изучены различные материальные системы для искусственных синапсов с биосинаптической пластичностью, включая HfO ₂ , ZnO, WO _x , TaO _x , InGaZnO, органические полимеры и 2D дихалькогениды переходных металлов (TMDC) [13,14,15,16,17,18,19]. Среди них Hf _0,5 Zr _0,5 О ₂ (HZO) - один из новых материалов с высоким коэффициентом k, совместимый с технологией комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS) [20]. Хотя сообщалось об искусственных синапстических устройствах на основе HZO, процесс высокотемпературной подготовки трудно исключить [21,22,23].

С другой стороны, гибкие искусственные синаптические устройства широко изучались для удовлетворения растущей потребности в носимых приложениях искусственного интеллекта [24, 25]. Однако процесс высокотемпературной подготовки препятствует нанесению гибкой основы. Хотя для решения проблемы был предложен процесс переноса, высокая частота отказов и дефекты складок, вызванные переносом, препятствуют широкомасштабному использованию этого метода [26, 27]. Стоит отметить, что низкотемпературная обработка не повреждает гибкие подложки, что является эффективным способом разработки крупномасштабных носимых синаптических массивов.

В данной работе была разработана низкотемпературная технология ALD для мемристора на основе HZO (ПЭТ / ITO / HZO / Ag). В этом мемристоре продемонстрирован процесс постепенного переключения проводимости. На основе характеристик постепенного переключения сопротивления моделировалась типичная синаптическая пластичность, включая LTP / LTD, STP, PPF и кривые забывания. Обладая функцией биологических синапсов, гибкий мемристор на основе HZO является привлекательным для будущих приложений в нейроморфных вычислительных системах.

Методы

Гибкое синаптическое устройство было приготовлено на подложке из полиэтилентерефталата (ПЭТ), покрытой ITO, которую очистили в ацетоне, изопропаноле и деионизированной воде и высушили N ₂ поток. Пленка HZO толщиной 10 нм была нанесена на подложку из полиэтилентерефталата / ITO методом ALD с газом-носителем N ₂ . Предшественниками были тетракис (этилметиламино) гафний (TEMAH), тетракис (этилметиламино) цирконий (TEMAZ) и H ₂ O, а температура роста камеры ALD поддерживалась на уровне 130 ° C. Затем слой верхнего электрода (ТЕ) из серебра толщиной 50 нм и площадью 100 × 100 мкм ² был нанесен методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) с последующей фотолитографией и процессом отрыва. Структура PET / ITO / HZO / Ag показана на рис. 1. Верхний электрод Ag и нижний электрод ITO соответствуют пре- и постсинаптическому нейрону в биологическом синапсе.

Схематическое изображение биологического синапса между нейронами и искусственными электрическими синапсами. Биосинапс состоял из пресинаптического нейрона, синаптической щели и постсинаптического нейрона. Гибкий электрический синапс на основе HZO был изготовлен со структурой ITO / HZO / Ag на пластиковой подложке при низкой температуре

Электрические характеристики были получены с помощью анализатора параметров полупроводников (Agilent B1500A) в атмосферной среде при комнатной температуре. Нижний электрод был заземлен, в то время как программирующее смещение было приложено к верхнему электроду.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а представлена ​​типичная кривая биполярного резистивного переключения мемристора при токе податливости 500 мкА. Качущее напряжение подавалось в последовательности 0 → 2 В → 0 В для заданного процесса, и сопротивление переключалось из состояния с высоким сопротивлением (HRS) в состояние с низким сопротивлением (LRS). Напротив, отрицательное напряжение подавалось от 0 В до -2 В и возвращалось к 0 В для процесса сброса. Характеристика постепенного переключения при развертке положительного и отрицательного смещения указывает на потенциал мемристора на основе HZO, имитирующего синаптическое поведение. Суммарная вероятность рабочих напряжений в процессе установки и сброса во время последовательных циклов развертки показана на рис. 2. Средние значения (μ) установленного напряжения и напряжения сброса равны 0,99 В и -1,33 В, соответственно, что показал средний уровень рабочего напряжения. Стандартное отклонение (σ) рабочего напряжения (0,245 для процесса настройки и 0,566 для процесса сброса) указывает степень отклонения от центра. Относительные колебания данных можно описать как коэффициент вариации (σ / μ). Превосходная однородность была получена в процессе установки, в то время как изменение сопротивления HRS и напряжения сброса значительны, что может быть связано с процессом образования и разрыва проводящей нити (CF) из атомов Ag. В процессе работы набора размер или количество CF будет увеличиваться. Текущий уровень устройства почти линейно пропорционален приращению CF. Во время процесса сброса CF будут ломаться и уменьшаться. В то время как текущий уровень устройства экспоненциально зависит от разрывной длины CF [28]. Небольшое изменение CF во время процесса сброса может привести к очевидным изменениям сопротивления и напряжения сброса. Отношение включения / выключения μ в устройстве на основе HZO было больше 300, как показано на рис. 2c.

а Резистивные коммутационные характеристики устройства на основе HZO, измеренные с помощью развертки по постоянному току. б Распределение напряжений установки и сброса, извлеченных из циклов развертки постоянного тока в гибком устройстве. c Статистические данные HRS и LRS, где сопротивление измерялось при напряжении считывания 0,1 В

Помимо постепенного переключения сопротивления при развертке по постоянному току, устройство с модулированной проводимостью может быть запрограммировано последовательностью последовательных импульсов. Как показано на рис. 3а, проводимость можно модулировать постепенно, чтобы имитировать LTP и LTD с помощью 400 последовательных программных импульсов, что указывает на потенциал синаптического устройства для нейроморфных вычислений. При 200 последовательных положительных импульсах (0,8 В, 20 мс) и 200 отрицательных импульсах (-0,5 В, 20 мс) проводимость синаптического устройства постепенно усиливалась и снижалась. Состояние проводимости было получено при напряжении считывания 0,1 В после каждого последовательного импульса. Забывание - одно из распространенных явлений в человеческом мозгу, которое можно смоделировать путем ослабления постсинаптического тока в электрических синапсах. После серии импульсов постсинаптический ток (PSC) затухал и со временем переходил в промежуточное состояние, как показано на рис. 3b. Кривую забывания можно описать уравнением Кольрауша, которое часто использовалось в психологии:

где I (t) это PSC на момент t , Я ₀ - стабилизированный ток, A - предварительный фактор, и τ - постоянная времени релаксации. В искусственном синаптическом устройстве константа τ составила 57 с, что было использовано для оценки характеристик забывания.

а Постепенная модуляция проводимости для LTP и LTD в искусственном гибком синапсе, где постсинаптический ток был получен при напряжении считывания 0,1 В. b Забыть о поведении после 100 последовательных программных импульсов (1 В, 50 мс) и подогнанных кривых электрического синапса

Чтобы лучше понять механизм работы синаптического устройства на основе HZO, проводящие нити (CF) в разных состояниях были показаны на рис. 4. Образование и разрыв CF были вызваны миграцией атомов Ag и подвижного Ag ⁺ . Когда к верхнему электроду был приложен положительный программный стимул, атомы верхнего электрода окислились до Ag ⁺ , которые накапливались в нижнем электроде и восстанавливались до атомов Ag. На рис. 4a – c толщина и диаметр CF немного увеличились от состояния I к состоянию III, что привело к увеличению проводимости [29]. Напротив, мостик из атомов Ag разорвался со слабым влиянием на проводимость после применения серии отрицательных пиков в мемристоре, как показано на рис. 4d – f. Типичное поведение LTP и LTD в этом искусственном синаптическом устройстве на основе HZO было организовано из постепенного образования и разрыва CF соответственно.

а - c Принципиальные схемы формирования проводящего пути катионов Ag при последовательных положительных импульсах в LTP. г - е Разрыв токопроводящей нити после последовательных отрицательных импульсов в LTD

Кратковременная синаптическая пластичность имеет решающее значение как для возбуждающих, так и для тормозных биосинапсов, которые, как считается, играют важную роль в обработке временной информации [30, 31]. Поведение PPF и PPD - типичное краткосрочное явление, организованное из двух последовательных синаптических импульсов с коротким интервалом. Такая пластичность также была успешно воспроизведена в нашем гибком синаптическом устройстве на основе HZO. Функция PPF заключалась в кратковременном увеличении синаптических весов, запускаемых парой спайков (2 В, 10 мс) с интервалом 60 мс, как показано на рис. 5a. Напротив, ток отклика второго всплеска меньше, чем у предыдущего всплеска, который описывается как PPD и моделируется двумя отрицательными импульсами (-1,5 В, 10 мс) с интервалом 60 мс.

а Типичное поведение PPF, вызванное парой пресинаптических спайков (2 В, 10 мс). б Феномен PPD искусственного гибкого синапса при подавленных спайках (-1,5 В, 10 мс)

Чтобы продемонстрировать надежность долговременной пластичности в нашем синаптическом устройстве, характеристики удерживания были измерены в течение более 1000 с. Как показано на рис. 6, PSC в возбуждающем и тормозном состояниях считывались при смещении 0,1 В после единственного пресинаптического импульса. Поведение нашего устройства на основе HZO при долгосрочном хранении показывает потенциал хранения, а последовательная модулированная проводимость открывает путь для функции памяти, которая может быть интегрирована в систему.

а Характеристики сохранения электрического синапса при положительном программном импульсе, указывающие на долгосрочное потенциальное поведение. б В процессе LTD постсинаптический ток может подавляться одним отрицательным импульсом (-0,5 В, 20 мс), а состояние проводимости может оставаться стабильным более 1000 с.

Выводы

Таким образом, было предложено гибкое искусственное синаптическое устройство на основе HZO, основанное на низкотемпературном ALD. В этом гибком мемристоре были продемонстрированы типичные характеристики биполярного резистивного переключения. При подаче последовательных импульсов на верхний электрод долговременная пластичность и кратковременная пластичность моделировались электрическим синапсом, включая LTP, LTD, PPF, PPD и поведение забывания. Постепенно модулированная проводимость может быть объяснена контролируемым проводящим путем для ионов серебра. Гибкий электрический синапс становится одним из многообещающих кандидатов для аппаратной реализации нейроморфных схем.

Сокращения

ALD:

Осаждение атомного слоя

HRS:

Состояние высокого сопротивления

LRS:

Состояние низкого сопротивления

LTD:

Длительная депрессия

LTP:

Долгосрочное потенцирование

STP:

Кратковременная пластичность