Гибкий мемристор на базе Hf0.5Zr0.5O2, полученный низкотемпературным ALD, демонстрирующий кратковременную и долгосрочную синаптическую пластичность

Аннотация

Искусственные синапсы являются краеугольным камнем нейроморфных схем, предлагая путь преодоления узкого места фон Неймана. Используя низкотемпературный процесс атомно-слоевого осаждения (ALD), мы изготовили гибкий электрический синапс на основе Hf0.5Zr0.5O2 (HZO). Устройство демонстрирует биполярное резистивное переключение, управляемое постепенным формированием и разрывом проводящих нитей из ионов Ag. Под последовательностями пресинаптических импульсов мемристор воспроизводит ключевые биологические поведения: кратковременную пластичность (STP), долгосрочное потенцирование/депрессию (LTP/LTD), парное импульсное фасилитацию/депрессию (PPF/PPD) и динамику забывания, тем самым интегрируя память и обучение в единой гибкой платформе для нейроморфного оборудования нового поколения.

Введение

Традиционная архитектура фон Неймана сталкивается с проблемами передачи данных между процессором и памятью, ограничивая производительность в задачах с большими данными. Нейроморфные вычисления эмулируют корковые цепи, предоставляя внутреннее обучение и память в единой системе. Центральным элементом являются электронные синапсы, имитирующие адаптивную проводимость биологических соединений. Недавние достижения продемонстрировали различные мемристивные синапсы — двухконтактные устройства и трехконтактные ионно-дефектные транзисторы — способные воспроизводить такие явления, как LTD/LTP, парные импульсные флуктуации (PPF), парная импульсная депрессия (PPD) и пластичность, зависящая от времени спайков (STDP). LTD/LTP необходимы для распознавания образов и задач ИИ, в то время как STP лежит в основе временной фильтрации и быстрой передачи сигналов.

Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) выделяется как высокодиэлектрическая константа, совместимая с CMOS-процессами, однако большинство сообщаемых HZO-базированных синапсов требуют высокотемпературной фабрикации, исключающей гибкие подложки. Гибкие синаптические устройства критически важны для носимого ИИ, но высокотемпературные этапы вводят дефекты при переносе, ограничивая масштабируемость. Низкотемпературный ALD предлагает подложко-дружественный путь к крупноразмерным, бездефектным гибким массивам.

Здесь мы представляем PET/ITO/HZO/Ag мемристор, изготовленный при 130 °C методом ALD. Устройство показывает постепенное резистивное переключение и точно воспроизводит набор синаптических пластичностей, делая его перспективным кандидатом для аппаратных нейроморфных систем.

Методы

Гибкая структура строилась на ITO-покрытом полиэтилентерефталате (PET). Подложку последовательно очищали ацетоном, изопропанолом и дионизированной водой, затем сушили под азото. 10-нм пленка HZO осаждалась ALD (переносной газ N2) с использованием прекурсоров TEMAH, TEMAZ и H2O при 130 °C. Затем 50-нм верхний электрод из Ag (100×100 мкм²) формировали физическим осаждением из паровой фазы, фотолитографией и лифт-офф. Полученная структура PET/ITO/HZO/Ag (рис. 1) отображает Ag и ITO на пре- и постсинаптические нейроны соответственно.

Электрические измерения проводили на параметрическом анализаторе Agilent B1500A в обычной атмосфере при комнатной температуре. Нижний электрод был заземлен, на верхний подавали смещение.

Результаты и обсуждение

Рис. 2a показывает типичную кривую биполярного резистивного переключения при комплаенс 500 мкА. Положительный пересчет 0→2 В переводит устройство из высокоомного состояния (HRS) в низкоомное (LRS), отрицательный 0→−2 В — обратно. Постепенный переход в обеих полярностях подтверждает пригодность для синаптической эмуляции.

Статистический анализ 200 последовательных DC-циклов (рис. 2b) дает средние напряжения сета и ресета 0,99 В и −1,33 В со стандартными отклонениями 0,245 В и 0,566 В. Коэффициент вариации ниже для процесса сета, что отражает лучшую однородность. Соотношение ON/OFF превышает 300 (рис. 2c), демонстрируя надежное резистивное окно.

Последовательные импульсы напряжения модулируют проводимость устройства контролируемым образом. С 200 положительными импульсами (0,8 В, 20 мс) и 200 отрицательными (−0,5 В, 20 мс) проводимость прогрессивно возрастает (LTP) и уменьшается (LTD) (рис. 3a), иллюстрируя долгосрочную пластичность. После импульсных последовательностей постсинаптический ток (PSC) релаксирует к промежуточному состоянию, имитируя биологическое забывание (рис. 3b). Затухание описывается функцией Кольрауша: I(t)=I0+A exp(−t/τ) с τ=57 с, количественно характеризуя постоянную времени забывания.

Базовый механизм включает миграцию ионов Ag, формирующих проводящие нити (CF). Положительное смещение окисляет Ag в Ag+, который мигрирует и восстанавливается на нижнем электроде, утолщая CF (состояния I–III) и повышая проводимость. Отрицательное смещение разрывает нить, снижая проводимость (состояния d–f) (рис. 4). Эта обратимая динамика CF лежит в основе наблюдаемых LTP/LTD.

Кратковременная пластичность подтверждается парным импульсным фасилитацией (PPF) и депрессией (PPD). Пара импульсов 2 В, 10 мс с интервалом 60 мс усиливает второй PSC (PPF), а пара −1,5 В подавляет его (PPD) (рис. 5). Эти поведения отражают синаптическую временную фильтрацию, наблюдаемую в биологии.

Тесты удержания за 1000 с подтверждают стабильные постсинаптические токи как в возбудительном (положительном), так и в ингибиторном (отрицательном) состояниях (рис. 6), подчеркивая потенциал устройства для долгосрочного хранения памяти.

Заключение

Мы продемонстрировали гибкий PET/ITO/HZO/Ag мемристор, изготовленный низкотемпературным ALD, который демонстрирует надежное биполярное переключение и полный набор синаптических пластичностей — LTP, LTD, PPF, PPD и забывание. Постепенная модуляция проводимости исходит от контролируемых ионов Ag проводящих нитей. Это устройство представляет собой жизнеспособный строительный блок для масштабируемого гибкого нейроморфного оборудования, способного к одновременному обучению и запоминанию.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слоевое осаждение

HRS

Высокоомное состояние

LRS

Низкоомное состояние

LTD

Долгосрочная депрессия

LTP

Долгосрочное потенцирование

STP

Кратковременная пластичность