Оптимизированное аналоговое переключение и синаптическая функциональность в мемристорах Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si

Аннотация

В данном исследовании, вставляя буферный слой TiO_x между слоем SiO_x:Ag и нижним электродом, мы разработали мемристорное устройство со простой структурой Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si методом физического фазового осаждения, в котором рост и разрыв филамента могут быть эффективно контролированы во время аналогового переключения. Синаптические характеристики мемристора с широким диапазоном изменения сопротивления для модуляции веса путем реализации положительных или отрицательных последовательностей импульсов были изучены детально. Несколько функций обучения и памяти были достигнуты одновременно, включая потенциацию/депрессию, парную пульсовую фасилитацию (PPF), кратковременную пластичность (STP) и переход STP-к-LTP (долговременной пластичности), контролируемый повторяющимися импульсами более чем репетиционной операцией, а также пластичность, зависящую от времени спайка (STDP). На основе анализа логарифмических I-V характеристик было установлено, что контролируемая эволюция/растворение проводимых Ag-филаментов через диэлектрические слои может улучшить характеристики испытываемого мемристора.

Введение

В 2008 году теоретическая концепция мемристора проф. Чуа стала реальностью, когда Струков и соавт. опубликовали свои исследования о связи между магнитным потоком и зарядом в TiO₂-базированном двухконтактном компактном устройстве впервые, что спровоцировало интерес исследователей по всему миру. Помимо различных потенциальных применений от логических операций и перенастраиваемых радиочастотных систем до нелетучих память приложений, мемристоры также исследовались для эмуляции биологических синаптических функций из-за их похожей структуры и рабочей динамики. В настоящее время широко принято, что прямая эмуляция синаптических функций в электронном устройстве критична для развития нейроморфных вычислительных систем, вдохновленных мозгом. Однако традиционно спроектированные электронные синапсы основаны на технологиях complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), которые страдают от эффекта бутылочного горлышка фон Неймана в терминах сложного процесса выполнения вычислений, пределов плотности интеграции и диссипации энергии. Поэтому использование регулируемого двухконтактного устройства влило много перспективных возможностей для разработки новых структур электронных синапсов, которые следуют из уникальных свойств мемристоров с нелетучей характеристикой, наномасштабным размером, низким потреблением энергии, более быстрым откликом и т.д.

Недавно различные материалы (например, металл-оксиды как ZnO₂, WO_x, SnO_x, халькогениды как Cu₂S, Ag₂S и ферроэлектрики как La₂O₃, Pb_0.8Ba_0.2ZrO₃) исследовались для проектирования и фабрикации мемристорных устройств. Для многих устройств изменение сопротивления приписывается полевой индуцированной миграции кислородных вакансий или металлических ионов (например, Ag⁺, Cu²⁺, Al³⁺) и формированию высокопроводящего пути. Проводящий путь в мемристорах обычно называют «проводящим филаментом (CF)», который может быть впоследствии разорван во время операции переключения. В целом в мемристорах наблюдают два типа переключения: резкое (цифровое переключение) и плавное (аналоговое переключение). Резкое изменение сопротивления согласуется с цифровым сигналом (0 или 1), что выгодно для хранения информации.

В противовес цифровому переключению, непрерывная настройка проводимости в мемристорах имеет некоторые сходства с биологическим синапсом, который является основной клеточной единицей функций обучения и памяти в человеческом мозге. В нескольких мемристорных устройствах аналоговые изменения проводимости, используемые для эмуляции модуляции веса биологических синапсов, были реализованы. Диффузионный Ag в a-Si и оксидные мемристоры с структурами Pt/a-Si:Ag/Pt и Pt/SiO_xN_y:Ag/Pt успешно имитировали динамику Ca²⁺ или Na⁺ в био-синапсах. Аналогично, кислородные ионы/вакансии филаменты в металл-оксидных мемристорах также предлагались для реализации синаптических функций, включая кратковременную потенциацию (STP) и парную пульсовую фасилитацию (PPF). Однако биологические правила обучения разнообразны, и до сих пор не все синаптические функции были вовлечены в мемристорные модели.

Помимо выбора материалов, контроль роста и разрыва филамента вставкой дополнительного диэлектрического слоя в структуру «металл/мемристивный слой/металл» предлагает определенные преимущества для эмуляции синаптических функций, включая STP и LTP, а также низкое потребление энергии. Недавно, для контроля скорости формирования/разрыва проводящего филамента, Ван и соавт. продемонстрировали аналоговое переключение, вставляя слой SiO₂ в TaO_x-базированный мемристор. Ван и соавт. также реализовали аналоговое переключение и эмулировали STP и STDP функции, вставляя слой восстановленного оксида графена в структуру Ag/SrTiO₃/FTO мемристора для контроля чрезмерного роста Ag-филамента. Более того, сообщалось, что на основе знаний материала TiO_x с высокой диэлектрической постоянной (~40) и низкой запрещенной зоной (~3 эВ), характеристики мемристора в терминах циклической выносливости и однородности были заметно улучшены вставкой тонкого слоя TiO₂ с HfO₂ мемристивным слоем. Кроме того, сообщалось, что из-за низкой ионной подвижности и низкой скорости окислительно-восстановительной реакции тонкая пленка TiO_x может также действовать как буферный слой для предотвращения чрезмерного роста проводящего филамента, обеспечивая лучшее синаптическое поведение и сохраняя хороший контакт проводящего филамента во время процессов резистивного переключения.

В этой статье мы сообщаем о новой структуре Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристорных устройств и их аналоговых переключениях. По сравнению с однослойным устройством, сообщенным ранее, было установлено, что вставка слоя TiO_x, как показано в вышеуказанной структуре, влияет на поведение переключения мемристора в терминах расширения окна проводимости и поддержания стабильного состояния во время процессов переключения. Более того, проводимость мемристора может легко настраиваться как под положительными, так и под отрицательными последовательностями импульсов. Наши недавние результаты демонстрируют, что мы успешно получили надежное аналоговое переключение и достоверно эмулировали био-синаптические функции, такие как кратковременная и долговременная пластичность (STP и LTP), функция парной пульсовой фасилитации (PPF), пластичность, зависящая от времени спайка (STDP), а также переход STP к LTP в мемристоре Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si.

Методы

Фабрикация устройства: как показано на рис. 1a, наш мемристор спроектирован как структура Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si. Подложки p⁺⁺-Si (15 × 15 мм²) с удельным сопротивлением ~ 0,01 Ом·см очищали стандартным методом, затем устройства фабрицировали на них. Все следующие процессы проводили при комнатной температуре в высоковакуумной системе. Во-первых, ~10-нм толстый слой оксида титана осаждали на подложки p⁺⁺-Si RF магнетронным спуттерингом с использованием высокочистого керамического TiO₂ мишени. Затем ~95-нм толстый слой SiO_x:Ag осаждали RF ко-спуттерингом с использованием SiO₂ мишени с маленькими кусочками Ag, размещенными на магнитном спуттеринговом пути. Во время осаждения поток Ar и давление поддерживали на 50 sccm и 20 мТорр соответственно, в то время как RF мощность держали на 80 Вт. Наконец, верхний электрод (TE) ~30-нм толстого слоя Ag формировали через фотолитографию и lift-off технику, в которой тонкие металлические слои осаждали DC магнетронным спуттерингом. Диаметр отдельного электрода составляет около 150 мкм.
Методы характеристики: трансляционная электронная микроскопия (TEM) измерения и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) анализы проводили для анализа микроструктуры SiO_x:Ag и TiO_x слоев и химического состояния атомов Ag соответственно, в которых TEM образец сначала делали с помощью фокусированного ионного пучка (FIB, FEI Nova Nano Lab 200), а затем наблюдали под FEI Phillips CM10-Supra TEM системой. Электрические характеристики проводили с полупроводниковым анализатором (Keithley 2636B), соединенным с пробной станцией. Во время электрических измерений положительные и отрицательные смещения определялись током, текущим между верхним и нижним электродами. Все электрические измерения проводили при комнатной температуре в воздухе.

Схема Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристора и его поперечный TEM анализ. a Схематичное изображение устройства и аналогия между биологическим синапсом и электронным синапсом. b Поперечный TEM вид единицы мемристора Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si структуры. SiO_x:Ag и TiO_x тонкие пленки, сэндвич между Ag TE и p⁺⁺-Si BE электродами. c Элементная карта поперечного сечения устройства

Результаты и обсуждение

Схема устройства и конфигурация измерений описана на рис. 1a. Устройство имеет простую структуру, состоящую из SiO_x:Ag и TiO_x тонких слоев, сэндвич между Ag TE и p⁺⁺-Si BE, что подтверждается поперечным TEM мемристора и элементным маппингом на рис. 1b и c. Химическое состояние атомов Ag на поверхности SiO_x анализируется XPS, как показано в Доп. файл 1: Рисунок S1. Ag3d спектр для Ag деконволюционируется в один дублет с энергиями связи 368,0 эВ для Ag3d_5/2 и 374,0 эВ для Ag3d_3/2, которые точно присваиваются металлическому состоянию Ag. HRTEM изображение в Доп. файл 1: Рисунок S2 показывает поперечный сечение аморфного TiO_x слоя, в то время как маленькие Ag нанокластеры видны в SiO_x:Ag слое, что, вероятно, вызвано выходной диффузией Ag во время подготовки TEM образца для минимизации общей интерфаксной энергии материальной системы. Более того, быстрое преобразование Фурье (FFT) подтверждает, что Ag нанокластеры, встроенные в SiO_x, поликристалличны в структуре, такие как Ag (111) и Ag (002) нанокристаллы. В мемристоре Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si Ag/SiO_x:Ag и TiO_x/p⁺⁺-Si как пресинаптическая и постин синаптическая мембраны соответственно, как проиллюстрировано на рис. 1a. Сиaptic вес меняется через высвобождение Ca²⁺ или Na²⁺ ионов в зазоре между пре- и постин синаптическими мембранами, называемым «щелью», пресинаптической мембраной при получении нейронных импульсов. Аналогично, проводимость мемристора Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si может быть модулирована искусственно как электронный синапс через миграцию Ag ионов под напряженными импульсами.

Рис. 2a показывает вольт-амперную (I-V) кривую мемристора Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si в полулогарифмической шкале. Под сканирующим смещением 0 В → +4,0 В → −4,0 В → 0 В измеренная I-V кривая показывает зацепленную гистерезис петлю, которая является отпечатком пальца мемристора. Когда положительное смещение приложено к Ag TE, происходит постепенное увеличение тока до предела тока соответствия (I_cc), и сопротивление устройства меняется от высокого сопротивления (HRS) к низкому сопротивлению (LRS), что называется процессом «SET». В то время как когда отрицательное смещение приложено к Ag TE, происходит уменьшение тока, и состояние сопротивления возвращается к HRS из LRS, что называется процессом «RESET». Это указывает на то, что проводимость устройства может быть модулирована соответствующе с положительным или отрицательным сканирующим смещением, показывая биполярное резистивное переключение. Вместо резкого увеличения или уменьшения тока во время SET и RESET процессов при высоковольтном режиме, очень интересно, что ток устройства последовательно увеличивается или уменьшается под повторяющимся сканированием напряжения 0 В → +2,1 В или 0 В → −2,1 В, как показано на рис. 2b. Отношение тока и напряжения во времени (I-V-t) также построено в вставке рис. 2b для более четкого показа изменений проводимости. Как в биосинапсе, очевидный ответ устройства в виде восходящего-нисходящего или нисходящего-восходящего развития тока наблюдается после реализации последовательных положительных (1-5) и отрицательных (6-10) частей I-V кривых соответственно. Непрерывное увеличение (или уменьшение) тока во время положительных (или отрицательных) сканирований напряжения указывает на то, что сопротивление устройства может быть модулировано DC-сканирующим режимом. Также наблюдается, что во время каждого последующего положительного или отрицательного сканирования I-V кривая подхватывает там, где предыдущая оставила, показывая типичную аналоговую особенность переключения для мемристора. Выносливость мемристора может быть оценена реализацией более широкого биполярного сканирующего напряжения при напряжении чтения +0,3 В, как на рис. 2c, показывая, что устройство может работать стабильно и однородно между LRS и HRS во время set/reset операций более 10³ циклов.

I-V характеристики Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристора. a Биполярное переключение b Потенциация или депрессия повторяющимися сканированиями напряжения. Вставка показывает отношение напряжения и тока во времени (V-I-t), демонстрируя состояние проводимости во время потенциации или депрессии. c Тест выносливости циклирования при напряжении чтения -0,3 В на 10³ циклов более широкого диапазона биполярных сканирований от 0 до +4,0 В для set и 0 до −4,0 В для reset. d Повторяющиеся свойства модуляции проводимости

Мемристорное устройство также может работать под импульсными сигналами вместо DC-смещения сканирующего напряжения. Рис. 2d показывает ответ устройства в виде потенциации или депрессии после реализации повторяющихся потенциализирующих (положительное смещение) и депрессирующих (отрицательное смещение) импульсов. Амплитуды потенциализирующих и депрессирующих импульсов составляют +1,2 В и −1,2 В соответственно, и все ширины и интервалы импульсов фиксированы на 5 мс. Здесь модуляция проводимости в устройстве наблюдается независимо от полярности импульсного смещения, что похоже на синаптический ответ в виде потенциации или депрессии под потенциализирующими и депрессирующими стимулами соответственно. Очевидно, что ответ устройства может быть скорректирован из цикла в цикл в зависимости от числа стимулирующих импульсов, указывая на то, что стабильная и однородная потенциация и депрессия за пределами полярности приложенного смещения может быть использована для эмуляции корректировки веса и усиления памяти в электронном синапсе.

Для понимания поведения переключения механизмы проводимости анализируются путем аппроксимации I-V характеристик. Для этой цели также фабрицирован отдельный SiO_x:Ag тонкопленочный мемристор со структурой Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si. Как показано на рис. 3a, ответ устройства на квази-DC сканирования напряжения указывает на типичное поведение порогового переключения, как сообщалось ранее. Направления стрелок показывают, что устройство может циклироваться между двумя состояниями как летучая память. Однако I-V кривая Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристора показывает, что ситуация довольно отличается от отдельного SiO_x:Ag-базированного мемристора. Рис. 3b показывает, что устройство демонстрирует биполярное переключение в аспекте LRS и HRS под положительной и отрицательной частями I-V кривой, тогда как рабочие напряжения относительно выше. Рис. 3c демонстрирует I-V кривую Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристора, аппроксимированную как Ln(I) против Ln(V) положительной области данных для HRS и LRS. Эти результаты аппроксимации показывают, что поведение переноса заряда в HRS согласуется с классическим механизмом ловушеково-контролируемого пространственно-заряженного ограниченного переноса (SCLC), состоящим из трех частей как Омическая область (I/V), область закона Чайлда (I/V²) и область крутого увеличения тока. В то время как линейное поведение в LRS, где наклон = 1, указывает на отличное Омическое поведение, как показано на рис. 3c. Различные проводимости в HRS и LRS подтверждаются формированием проводящего Ag-филамента в LRS. Рис. 3d дополнительно поддерживает, что резистивное переключение вызвано формированием/разрывом проводящего филамента. Видно, что в то время как LRS устройства независим от размера ячейки устройства, HRS устройства пропорционален размеру ячейки. Эта размеронезависимая свойство в LRS обычно наблюдается в памяти на основе проводящих филаментов. Следовательно, можно заключить, что феномен резистивного переключения в мемристоре Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si типично исходит из контролируемого формирования/разрыва проводящего филамента под положительным/отрицательным смещением напряжения. Постепенные изменения проводимости могут результатировать из вариации поперечного зазора между TE и BE под электрическим полем, похоже на другие отчеты. Поэтому общее сопротивление устройства можно описать как R = Rij = V/I согласно эквивалентной схеме, где Rij определяется как сопротивление, связанное с боковым размером зазора CF между TE и BE. Следовательно, если этот зазор может быть скорректирован через модуляцию размера Ag CF между TE и BE с помощью подходяще запрограммированного смещения, то проводимость или сопротивление мемристивного устройства может быть настроено постепенно.

Анализ механизма проводимости Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si и Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si устройств. a Линейная I-V кривая Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si и b Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si устройства. c Механизмы проводимости соответствуют SCLC в HRS и Омическому в LRS для Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si устройства согласно результатам аппроксимации положительной области I-V кривой в (b). d Зависимость площади ячейки от проводимости в LRS или HRS

Соответствующая физическая модель также представлена на рис. 4 для интерпретации механизма переключения в отдельных SiO_x:Ag и SiO_x:Ag/TiO_x-базированных мемристорах. Поведение Ag наночастиц в SiO_x-базированных ячейках может быть интерпретировано на основе электрохимических реакций (миграции и накопления Ag ионов и Ag атомов) между биполярными электродами аналогично как сообщалось ранее. Когда приложено сканирующее напряжение, Ag наночастицы дальше растут для мостика зазора между электродами, результатом в резком увеличении тока до уровня соответствия, и мемристор включается в LRS (как показано на средней панели рис. 4a). После удаления электрического смещения удлиненные Ag нанокластеры, которые сформировали мост раньше, теперь быстро сокращаются, и устройство возвращается к HRS (как показано на последней панели рис. 3a), указывая на биполярное поведение порогового переключения в мемристоре, который может циклироваться между двумя состояниями как в летучих памяти устройствах.

Схематическая диаграмма физической модели для поведения переключения. a Ag/SiO_x:Ag/p⁺⁺-Si мемристор; b Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристор

Ситуация совершенно другая в случае SiO_x:Ag/TiO_x-базированного мемристора, где SiO_x тонкий слой имеет высокую запрещенную зону (~9 эВ) и низкую диэлектрическую постоянную (~3), но TiO_x слой имеет низкую запрещенную зону (~3 эВ) и высокую диэлектрическую постоянную (~40), что делает электрическое поле через SiO_x слой выше, чем через TiO_x слой, растворяя больше Ag атомов в коммутирующем слое. Низкая ионная подвижность и низкая скорость окислительно-восстановительной реакции оксида титана контролируют миграцию и накопление Ag атомов и Ag ионов через интерфаксный слой. Эти два факта, упомянутые выше, могут вызвать формирование нано-конусообразного филамента от TE к BE. Сконцентрированный металлический регион в форме эффективного конфиnementа роста филамента в форме нано-конуса от TE к BE может предложить контроль состояний сопротивления во время циклических операций. Когда верхний Ag электрод достаточно положительно смещен через двойные слои, электрическое поле через диэлектрические слои достаточно для приведения Ag ионов от Ag TE к p⁺⁺-Si BE через интерфаксный слой, ведущего к уменьшению эффективного зазора между электродами (как показано на средней панели рис. 4b). Ag-филаменты не растворяются, если не приложено отрицательное напряжение и стремятся сохранять свою исходную форму даже при удалении смещения напряжения. Когда приложено отрицательное напряжение, начинается нормальный RESET, и Ag CF частично растворяются (обычно в самом тонком месте) из-за термически-ассистированного электрохимического процесса. Мемристор выключается и возвращается к HRS (последняя панель рис. 4b), и затем обратимо циклируется между двумя состояниями (показано на рис. 3b) как нелетучее память устройство. Левая панель рис. 4b показывает, что филаменты, сформированные здесь, должны быть толще, чем в средней панели рис. 4a, которые не могут быть растворены и разорваны, если не приложено отрицательное напряжение. Часть филамента в SiO_x слое все еще намного тоньше, чем нано-конусная часть в TiO_x слое, и форма всего филамента как-то похожа на нано-конус. Поэтому когда приложено отрицательное смещение, филамент будет разорван быстро при приложении отрицательного напряжения (рис. 3b), тогда как напряжение будет дальше увеличиваться и ток снова увеличивается, указывая на риск отрицательного SET при высоком диапазоне смещения из-за остаточных Ag атомов, существующих близко к поверхности BE.

Фактически, общее мемристорное сопротивление в HRS просто связано с зазором между кончиком нано-конуса филамента и нижним электродом, который может быть увеличен или уменьшен путем регулировки электрического смещения. Эта тенденция изменения HRS в мемристорах видна на рис. 2b, где ток может последовательно увеличиваться или уменьшаться под повторяющимися сканирующими смещениями от 0 В до +2,1 В и от 0 В до −2,1 В соответственно. С другой стороны, постоянное сканирование напряжения под +2,1 В недостаточно для формирования проводящего филамента через TE и BE. Вместо этого проводящий Ag филамент может постепенно накапливать Ag атомы, ведущее к уменьшению эффективного зазора между электродами, как показано в Доп. файл 1: Рисунок S3. Следовательно, используя подходящее программируемое смещение, переход типичного порогового переключения к постепенному переключению может быть реализован, и общее сопротивление памяти ячейки может быть настроено через регулировку эффективного зазора между электродами, как это наблюдается в биологическом синапсе.

Аналогично биосинапсу, входные стимулы с подходящей программой импульсов могут изменять состояния проводимости мемристора для выполнения нескольких нейронных задач. PPF — еще один важный признак, который может регулировать проводимость временной суммацией входных стимулов и выполнять несколько кратковременных нейронных задач, включая синаптическую фильтрацию и адаптацию. PPF функция в биосинапсе работает следующим образом: второй постин синаптический ответ становится выше первого во время двух последовательных спайковых стимулов, оставляя интервальное время спайков меньше времени восстановления. Рис. 5a показывает ответ устройства, который мониторится после реализации пары фасилитирующих импульсов амплитудой +2,0 В с фиксированной шириной и интервалом, названным как масштаб 0,08 с. Заметное увеличение тока как ответ второго импульса по сравнению с первым наблюдается, указывая на явное изменение состояния проводимости после реализации подходящей программирования импульсов. Во время интервала между двумя последующими импульсами наблюдается затухание тока, что может быть приписано существованию летучего характера в устройстве. Затухание проводимости может соответствовать диффузии Ag атомов после удаления потенциализирующего импульса. Успешная PPF функция может быть выполнена только когда временной интервал между двумя последовательными импульсами меньше времени диффузионной релаксации Ag атомов, вызывая больше Ag атомов, проталкиваемых в SiO_x:Ag/TiO_x слой. Более того, состояние насыщения достигается, когда устройство непрерывно стимулируется числом фасилитирующих импульсов амплитудой +2,0 В и фиксированной шириной и интервалом, названным как масштаб 0,08 с, как показано на рис. 5b. Результаты показывают, что когда высокочастотные импульсы применяются, которые насосят больше Ag атомов в SiO_x слой до формирования проводящего моста через TE и BE, достигая уровня насыщения. Это явление довольно похоже на правило обучения Хебба, где изменения синаптического веса должны иметь насыщаемое значение для избежания чрезмерной возбудимости нейронов с неуставшими спайками поезда импульсов.

Экспериментальные результаты парной пульсовой фасилитации (PPF). a Реализация PPF на Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si устройстве с +2,0 В амплитудой импульса с 0,08 с. b Демонстрация движения синаптического веса насыщения используя поезд импульсов амплитудой +2,0 В с той же шириной и интервалом 0,08 с

Более того, как в биологическом синапсе, мемристор будет страдать от потери памяти с резким уменьшением тока после реализации потенциализирующего спайка, что можно приписать существованию STP в мемристоре. В нейробиологии STP и LTP обычно приписываются кратковременной памяти (STM) и долговременной памяти (LTM). Установлено, что переход STP к LTP может происходить через повторяющиеся стимулы (т.е. процесс репетиции). Для верификации и сравнения этого поведения с наблюдаемым в биологических синапсах, последовательность напряженных импульсов реализована в наших Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристорах. Рис. 6a показывает увеличение тока от начального состояния 0,05 мА до 1,8 мА после реализации 15 последовательных импульсов (амплитуда +1,4 В, ширина и интервал 5 мс). Нормированное затухание тока ((I_t-I_o)/I_o × 100%) измеряется при напряжении чтения +0,3 В сразу после наложения потенциализирующих импульсов со временем (t), как показано на рис. 6b. Отношение между нормированным затуханием тока и временем хорошо аппроксимируется отношением, данным в уравнении (1):

Затухание тока и удержание памяти в Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристоре. a Увеличение тока после реализации 15 последовательных потенциализирующих идентичных импульсов. b Затухание тока мониторится при напряжении чтения +0,3 В после стимулирования устройства. c Нормированное затухание тока во времени показывающее переход от STP к LTP после реализации поездов импульсов числа стимуляций. d Удержание памяти и время релаксации (τ) к числу импульсов

где τ называется временем релаксации, а β — индексом растяжения (0 < β < 1). Обычно это отношение используется для описания процессов релаксации в неупорядоченных материалах со случайным распределением энергий. Кривая показывает, что затухание синаптического веса похоже на человеческую кривую «забывания» в психологии, которая характеризуется быстрым затуханием в начале, которое можно назвать STP, а затем постепенно достигает стабильного уровня, который можно назвать LTP в устройстве. Однако очевидное затухание нормированного тока в устройстве наблюдается в очень коротком интервале времени (t) и затем достигает уровня насыщения при низком состоянии проводимости (до 16% за 50 с). В этой ситуации, без каких-либо других изменений в параметрах импульсов, мы провели дальнейший процесс моделирования с повторяющимся числом импульсов. Ток измеряется при напряжении чтения +0,3 В сразу после наложения разных чисел импульсов (т.е. 25, 50, 100 и 200) из одного и того же начального состояния для каждого набора поездов импульсов. Рис. 6c показывает, что нормированное затухание тока во времени в каждом наборе измерений аппроксимируется отношением, данным в уравнении (1). Рис. 6d показывает, что с увеличением числа стимуляций время релаксации (τ) увеличивается, указывая на то, что процесс забывания затухает медленно. Одновременно наблюдается очевидное повышение уровня тока, подразумевающее положительное изменение синаптического веса (проводимости), как показано на рис. 6d черной линией. Эти результаты, представленные на рис. 6, дают четкое доказательство существования STP и LTP в нашем устройстве. Меньшее число стимуляций может индуцировать только STP в устройстве, с небольшим подъемом проводимости на уровне насыщения. Следовательно, увеличивая число повторяющихся стимуляций, процесс репетиции не только поднимает уровень проводимости, но и достигает долгого удержания памяти, как показано на рис. 6d красной линией.

Конвенциональные цифровые типы памяти требуют нелетучести для хранения информации, в то время как в биосинапсе информация обрабатывает и соответствующе переконфигурирует статус памяти. Видно на рис. 6, что переход от STP к LTP реализован, и синаптический вес скорректирован соответственно, в то время как неважные с малым синаптическим весом временно хранятся и затем уменьшаются со временем. Это явление довольно похоже на «многоуровневую модель», представленную Аткинсоном и Шиффрином. В этой модели сначала входная информация анализируется, затем хранится в разных иерархических уровнях согласно важности «синаптического веса» через процесс репетиции. Следовательно, увеличение синаптического веса и результативное удлинение времени релаксации (τ) в нашем устройстве как функция числа стимуляций лучше всего верифицировало схему репетиции.

Помимо процесса повторения импульсов, переход феномена STP к LTP дополнительно исследуется как функция силы импульса. Ответ устройства мониторится после реализации разных амплитуд импульсов, т.е. +1,2 В, +1,6 В, +2,0 В и +2,8 В с похожими шириной и интервалом масштаба 3 мс, как показано на рис. 7a. Ток мониторится с напряжением чтения +0,3 В после наложения каждого поезда импульсов, состоящего из 50 импульсов. Результаты аппроксимации с моделью растянутой экспоненциальной релаксации на рис. 7a показывают, что время релаксации увеличивается как функция силы импульса (как показано на рис. 7b красной линией). Одновременно, как показано на рис. 7b, повышение синаптического веса около 90% наблюдается при большем τ 43 с и амплитуде +2,8 В, что намного выше синаптического веса около 25% при меньшем τ 10 с и амплитуде +1,2 В (как показано на рис. 7b черной линией), указывая на формирование LTP. Основываясь на этих результатах, легко найти, что формирование и персистентность LTP в нашем устройстве сильно зависят как от числа импульсов, так и от амплитуды импульса. Эти результаты совпадают с фактами, что состояния памяти, т.е. STM и LTM, и их стабильность в биосинапсах связаны с характеристиками входного стимула.

Экспериментальные результаты затухания тока в Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристоре после процесса стимуляции. a Нормированное затухание тока во времени показывающее трансформацию от STP к LTP; b Удержание памяти и время релаксации (τ) как функция амплитуды импульса

Пластичность, зависящая от времени спайка (STDP) — еще одна фундаментальная характеристика для функций обучения и памяти в биологическом синапсе. Сообщалось, что в электронном синапсе вес может быть модулирован относительным временем пре- и постин синаптических импульсов. Правило Хебба STDP работает следующим образом: если пре-спайк предшествует постин синаптическому спайку (Δt > 0), это может усилить силу связи между двумя нейронами. В противном случае, если постин синаптический спайк предшествует пре-спайку (Δt < 0), это может ослабить силу связи между двумя нейронами. Такие виды усиления и ослабления силы связи между двумя нейронами также называются LTP и LTD соответственно. Во всем процессе порядок пре- и постин синаптических спайков относительно времени определяет полярность изменения веса (ΔW). Для эмуляции правила STDP в нашем устройстве пара импульсов (+1,2 В, 5 мс, и −1,2 В, 5 мс) как пре- и постин синаптические сигналы реализована, как показано на рис. 8a. Видно, что появится более значительное изменение проводимости (синаптического веса) с уменьшением Δt (в обоих случаях когда Δt > 0 и Δt < 0). Процентное изменение синаптического веса определяется как ΔW = (G_t−G₀)/G₀ × 100%. Здесь G₀ — проводимость, измеренная до стимуляции, а G_t — проводимость, измеренная после стимуляции с использованием пре- и постин синаптических пар соответственно. График показан на рис. 8b, который может объяснить отношение между ΔW и Δt до и после процесса моделирования. Видно, что когда пре-синапс (положительный) появляется перед постин синаптическим спайком (отрицательный) (Δt > 0), проводимость усиливается с увеличением ΔW вместе с уменьшением Δt. Напротив, когда пре-синапс (положительный) появляется после постин синаптического спайка (отрицательный) (Δt < 0), чистая проводимость устройства уменьшается (депрессируется) в ΔW вместе с увеличением Δt. Эти результаты продемонстрировали, что наш Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристор успешно эмулировал правило обучения Хебба STDP в форме искусственного синапса.

Экспериментальные результаты реализации правила STDP в Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристоре. a Схематичное изображение реализации электрического программирования смещения, состоящего из пары импульсов амплитудами +1,2 В и −1,2 В фиксированными с той же шириной 5 мс. Приближающаяся временная разница между стимулирующими импульсами Δt мс (t = ±10n, n = 1, 2, …, 10); b Сиaptic вес (ΔW) как функция времени спайка (Δt), хорошо демонстрирующий потенциацию и депрессию в мемристоре

Заключение

В резюме, новый вид мемристора со простой структурой Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si был фабрицирован методом физического фазового осаждения. Синаптические характеристики мемристора с широким диапазоном изменения сопротивления для модуляции синаптического веса реализацией положительных или отрицательных поездов импульсов изучены детально. Несколько критически важных функций обучения и памяти были продемонстрированы одновременно в таком отдельно фабрицированном мемристоре, включая кратковременную/долговременную потенциацию и депрессию (STP/STD, LTP/LTD), PPF и переход STP-к-LTP, а также STDP, которые регулируются и контролируются повторяющимися импульсами более чем репетиционной операцией. Более того, анализ логарифмических I-V характеристик с соответствующей физической моделью указывает на то, что контролируемое формирование/растворение Ag-филаментов через Ag и p⁺⁺-Si электроды может улучшить характеристики нового Ag/SiO_x:Ag/TiO_x/p⁺⁺-Si мемристора с буферным слоем TiO_x между SiO_x:Ag слоем и нижним электродом. Это разработанное устройство, как искусственный синапс, может принести потенциальную исследовательскую перспективу в проектировании и аппаратной реализации новых поколений биомиметических нейронных сетей и вычислительных систем.