Auf Hf0.5Zr0.5O2-basierter Hf0.5Zr0.5O2-basierter flexibler Memristor mit kurz-/langfristiger synaptischer Plastizität

Hintergrund

Das klassische von Neumann-Rechenschema leidet unter einem Engpass beim Informationstransfer zwischen Rechenzentrum und Speichereinheiten [1]. Durch die Emulation biologischer Gehirne hat sich das neuromorphe Computing zu einem attraktiven Kandidaten mit der Fähigkeit des Lernens und des Gedächtnisses in einem einzigen System entwickelt [2, 3]. Elektronische Synapsen mit der Fähigkeit, biosynaptisches Verhalten nachzuahmen, sind die Grundlage neuromorpher Systeme. Kürzlich wurde biosynaptisches Verhalten durch verschiedene Memristoren emuliert, darunter zweipolige Bauelemente und neuartige dreipolige synaptische Transistoren basierend auf Ionendefekten [4, 5]. Es wurde berichtet, dass Memristoren mit anamneseabhängiger Leitfähigkeit die Langzeitdepression (LTD) oder Potenzierung (LTP), Paarpulsfluktuation (PPF), Paarpulsdepression (PPD) und Spike-Timing-abhängige Plastizität (STDP .) simulieren ) [6,7,8]. Insbesondere ist LTP/LTD von entscheidender Bedeutung für die Gesichtsklassifizierung, digitale Erkennung und andere Anwendungen der künstlichen Intelligenz, die auf synaptischer Gewichtsmodifikation basieren [9,10,11]. Ausgehend von der unmittelbaren postsynaptischen Stromantwort wird STP häufig für die Informationsfilterung und die sofortige Signalübertragung verwendet [12].

Für künstliche Synapsen mit biosynaptischer Plastizität wurden verschiedene Materialsysteme untersucht, darunter HfO₂ , ZnO, WO_x , TaO_x , InGaZnO, organische Polymere und 2D-Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) [13,14,15,16,17,18,19]. Darunter Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ (HZO) ist eines der neuartigen High-k-Materialien und kompatibel mit dem Prozess der komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS) [20]. Obwohl über HZO-basierte künstliche synapstische Vorrichtungen berichtet wurde, ist der Hochtemperatur-Vorbereitungsprozess schwer zu vermeiden [21,22,23].

Andererseits wurden flexible künstliche synaptische Geräte umfassend untersucht, um den steigenden Bedarf an tragbaren Anwendungen der künstlichen Intelligenz zu befriedigen [24, 25]. Der Hochtemperatur-Vorbereitungsprozess ist jedoch ein Hindernis für das Aufbringen eines flexiblen Substrats. Obwohl ein Transferprozess vorgeschlagen wurde, um das Problem zu lösen, behindern die hohe Fehlerrate und die durch den Transfer verursachten Faltendefekte den großflächigen Einsatz dieser Methode [26, 27]. Es ist erwähnenswert, dass die Verarbeitung bei niedriger Temperatur flexible Substrate nicht beschädigt, was eine effektive Methode zur Entwicklung großer tragbarer synaptischer Arrays ist.

In dieser Arbeit wurde eine Niedertemperatur-ALD-Technik für HZO-basierte Memristoren (PET/ITO/HZO/Ag) entwickelt. Bei diesem Memristor wurde ein allmählicher Leitwertschaltprozess demonstriert. Basierend auf allmählichen Widerstandsschalteigenschaften wurde die typische synaptische Plastizität emuliert, einschließlich LTP/LTD, STP, PPF und Vergessenskurven. Mit der Funktion biologischer Synapsen ist der flexible HZO-basierte Memristor attraktiv für zukünftige Anwendungen in einem neuromorphen Rechensystem.

Methoden

Die flexible synaptische Vorrichtung wurde auf einem ITO-beschichteten Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat hergestellt, das in Aceton, Isopropanol und entionisiertem Wasser gereinigt und mit N₂ . getrocknet wurde fließen. Ein 10 nm dicker HZO-Film wurde durch ALD mit dem Trägergas N₂ . auf einem PET/ITO-Substrat abgeschieden . Die Vorläufer waren Tetrakis (Ethylmethylamino) Hafnium (TEMAH), Tetrakis (Ethylmethylamino) Zirkonium (TEMAZ) und H₂ 0, und die Wachstumstemperatur der ALD-Kammer wurde bei 130°C gehalten. Dann eine 50-nm-Ag-Top-Elektroden(TE)-Schicht mit einer Fläche von 100 × 100 μm ² wurde durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden, gefolgt von Photolithographie und Abhebeprozess. Die Struktur von PET/ITO/HZO/Ag wurde in Abb. 1 gezeigt. Die obere Elektrode von Ag und die untere Elektrode von ITO entsprechen dem prä- und postsynaptischen Neuron in der biologischen Synapse.

Schematische Darstellung einer biologischen Synapse zwischen Neuronen und künstlichen elektrischen Synapsen. Eine Biosynapse bestand aus einem präsynaptischen Neuron, einem synaptischen Spalt und einem postsynaptischen Neuron. Die HZO-basierte flexible elektrische Synapse wurde mit der Struktur von ITO/HZO/Ag auf dem Kunststoffsubstrat bei niedriger Temperatur hergestellt

Die elektrischen Eigenschaften wurden unter Verwendung eines Halbleiterparameteranalysators (Agilent B1500A) in der atmosphärischen Umgebung bei Raumtemperatur durchgeführt. Die untere Elektrode wurde geerdet, während die Programmiervorspannung an die obere Elektrode angelegt wurde.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die typische bipolare ohmsche Schaltkurve des Memristors mit der Stromkonformität von 500 uA. Die Wobbelspannung wurde in einer Abfolge von 0 →   2 V →   0 V für den Setzprozess angelegt, und der Widerstand wechselte vom hochohmigen Zustand (HRS) in den niederohmigen Zustand (LRS). Im Gegensatz dazu wurde eine negative Spannung von 0 V bis – 2 V angelegt und für den Rücksetzvorgang auf 0 V zurückgeführt. Die allmähliche Schaltcharakteristik bei positiven und negativen Bias-Sweeps weist auf das Potenzial von HZO-basierten Memristoren hin, die synaptisches Verhalten emulieren. Die kumulative Wahrscheinlichkeit von Betriebsspannungen im Setz- und Rücksetzprozess während aufeinanderfolgender Sweep-Zyklen ist in Abb. 2 dargestellt. Die Mittelwerte (μ) der Setzspannung und Rücksetzspannung betragen 0, 99 V bzw.  − 1, 33 V, was zeigte die durchschnittliche Höhe der Betriebsspannung. Die Standardabweichung (σ) der Betriebsspannung (0,245 für Setzvorgang und 0,566 für Resetvorgang) gibt den Grad der Abweichung von der Mitte an. Die relative Fluktuation der Daten könnte als Varianzkoeffizient (σ/μ) beschrieben werden. Im Setzprozess wurde eine hervorragende Gleichmäßigkeit erzielt, während die Variation des HRS-Widerstands und der Rücksetzspannung bemerkenswert sind, was auf den Bildungs- und Bruchprozess des leitfähigen Filaments (CF) aus Ag-Atomen zurückzuführen sein könnte. Während des Set-Vorgangs würde die Größe oder Anzahl der CFs zunehmen. Der aktuelle Pegel des Geräts ist fast linear proportional zum Anstieg der CFs. Während des Rücksetzvorgangs würden die CFs brechen und abnehmen. Während das aktuelle Niveau des Geräts exponentiell von der Bruchlänge von CFs abhängt [28]. Eine kleine Änderung der CFs während des Rücksetzvorgangs kann zu offensichtlichen Änderungen des Widerstands und der Rücksetzspannung führen. Das EIN/AUS-Verhältnis von μ in einem HZO-basierten Gerät war größer als 300, wie in Abb. 2c gezeigt.

a Widerstandsschalteigenschaften von HZO-basierten Geräten, gemessen durch DC-Sweep. b Verteilung der aus DC-Sweep-Zyklen extrahierten Set- und Reset-Spannungen in einem flexiblen Gerät. c Statistische Daten von HRS und LRS, wobei der Widerstand bei einer Lesespannung von 0,1 V

Neben dem allmählichen Widerstandsschaltverhalten im DC-Sweep könnte das Gerät mit modulierter Leitfähigkeit durch eine Folge aufeinanderfolgender Pulse programmiert werden. Wie in Abb. 3a gezeigt, könnte die Leitfähigkeit schrittweise moduliert werden, um LTP und LTD mit 400 aufeinanderfolgenden Programmierimpulsen zu emulieren, was das Potenzial der synaptischen Vorrichtung für neuromorphes Rechnen anzeigt. Mit 200 aufeinanderfolgenden positiven Impulsen (0 ,8V, 20 ms) und 200 negativen Impulsen (− 0 0,5V, 20 ms) potenzierte und verringerte sich die Leitfähigkeit der synaptischen Vorrichtung allmählich. Der Leitfähigkeitszustand wurde bei einer Lesespannung von 0,1 V nach jedem aufeinanderfolgenden Impuls erhalten. Das Vergessen ist eines der häufigsten Phänomene im menschlichen Gehirn, das durch die Relaxation des postsynaptischen Stroms in elektrischen Synapsen simuliert werden könnte. Nach einer Reihe von Pulsen zerfiel der postsynaptische Strom (PSC) und ging mit der Zeit in einen Zwischenzustand über, wie in Abb. 3b gezeigt. Die Vergessenskurve könnte mit der in der Psychologie häufig verwendeten Kohlrausch-Gleichung angepasst werden:

wobei I(t) ist der PSC zum Zeitpunkt von t , ich ₀ ist der stabilisierte Strom, A ist ein Vorfaktor und τ ist eine Relaxationszeitkonstante. Im künstlichen synaptischen Gerät ist die Konstante τ war 57 s, was verwendet wurde, um die Vergessenseigenschaften zu bewerten.

a Allmähliche Leitwertmodulation für LTP und LTD in der künstlichen flexiblen Synapse, bei der der postsynaptische Strom bei einer Lesespannung von 0,1 V erhalten wurde. b Vergessen von Verhalten nach 100 aufeinanderfolgenden Programmierimpulsen (1 V, 50 ms) und angepassten Kurven der elektrischen Synapse

Um den Arbeitsmechanismus der HZO-basierten synaptischen Vorrichtung besser zu verstehen, wurden die leitfähigen Filamente (CF) in verschiedenen Zuständen in Abb. 4 gezeigt. Die Bildung und das Aufbrechen der CFs waren auf die Wanderung von Ag-Atomen und beweglichem Ag^>+ . Wenn der positive Programmierstimulus an die obere Elektrode angelegt wurde, wurden Atome der oberen Elektrode zu Ag ⁺ . oxidiert , die in der unteren Elektrode akkumuliert und zu Ag-Atomen reduziert wurden. In Abb. 4a–c nahmen Dicke und Durchmesser von CF leicht von Zustand I zu Zustand III zu, was die Leitfähigkeitserhöhung induzierte [29]. Im Gegensatz dazu brach die Brücke von Ag-Atomen mit schwachem Einfluss auf die Leitfähigkeit, nachdem eine Reihe von negativen Spitzen im Memristor angelegt wurde, wie in Abb. 4d–f gezeigt. Typisches LTP- und LTD-Verhalten in diesem HZO-basierten künstlichen synaptischen Gerät wurden aus der allmählichen Bildung bzw. dem Bruch von CF organisiert.

a –c Die schematischen Diagramme der Bildung eines leitenden Pfades von Ag-Kationen unter aufeinanderfolgenden positiven Impulsen in LTP. d –f Bruch des leitfähigen Filaments nach aufeinanderfolgenden negativen Impulsen in LTD

Die kurzzeitige synaptische Plastizität ist sowohl für erregende als auch für hemmende Biosynapsen von entscheidender Bedeutung, von denen angenommen wird, dass sie eine wichtige Rolle bei der Behandlung zeitlicher Informationen spielen [30, 31]. Das PPF- und PPD-Verhalten ist ein typisches kurzfristiges Phänomen, das aus zwei aufeinanderfolgenden synaptischen Spitzen mit einem kurzen Intervall besteht. Diese Plastizität wurde auch in unserem flexiblen HZO-basierten synaptischen Gerät erfolgreich nachgeahmt. Die PPF-Funktion war eine kurzfristige Verbesserung der synaptischen Gewichte, ausgelöst durch ein Paar von Spikes (2 V, 10 ms) mit einem Intervall von 60 ms, wie in Abb. 5a gezeigt. Im Gegensatz dazu ist der Ansprechstrom des zweiten Spikes kleiner als der des vorherigen Spikes, der als PPD beschrieben und durch zwei negative Impulse (− 1 .5V, 10 ms) mit einem Intervall von 60 ms simuliert wird.

a Typisches PPF-Verhalten, induziert durch ein Paar präsynaptischer Spikes (2 V, 10 ms). b Das PPD-Phänomen der künstlichen flexiblen Synapse unter gehemmten Spikes (− 1 .5V, 10 ms)

Um die Zuverlässigkeit der Langzeitplastizität in unserem synaptischen Gerät zu demonstrieren, wurden die Retentionseigenschaften über 1000 Sekunden gemessen. Wie in Abb. 6 gezeigt, wurde die PSC in exzitatorischen und inhibitorischen Zuständen bei einer Vorspannung von 0,1 V nach einer einzelnen präsynaptischen Spitze abgelesen. Das langfristige Retentionsverhalten unseres HZO-basierten Geräts zeigt das Speicherpotenzial und die konsekutive modulierte Leitfähigkeit ebnet den Weg für eine Gedächtnisfunktion, die in ein System integriert werden könnte.

a Die Retentionseigenschaften der elektrischen Synapse unter positivem Programmierimpuls, die das langfristige potenzielle Verhalten anzeigen. b Im LTD-Prozess könnte der postsynaptische Strom durch einen einzigen negativen Impuls (− 0 .5V, 20 ms) gehemmt werden und der Leitfähigkeitszustand könnte über 1000 s stabil bleiben

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein flexibles HZO-basiertes künstliches synaptisches Gerät basierend auf Niedertemperatur-ALD vorgeschlagen. Bei diesem flexiblen Memristor wurden typische bipolare Widerstandsschalteigenschaften demonstriert. Durch die Anwendung aufeinanderfolgender Pulse in der oberen Elektrode wurden Langzeitplastizität und Kurzzeitplastizität durch die elektrische Synapse simuliert, einschließlich LTP, LTD, PPF, PPD und Vergessensverhalten. Eine allmählich modulierte Leitfähigkeit könnte einem kontrollierbaren leitenden Filamentpfad für Ag-Ionen zugeschrieben werden. Die flexible elektrische Synapse wird zu einem der vielversprechenden Kandidaten für die Hardwareimplementierung neuromorpher Schaltkreise.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niederohmiger Zustand

LTD:

Langzeitdepression

LTP:

Langzeitpotenzierung

STP:

Kurzfristige Plastizität