Couche atomique déposée Memristor flexible à base de Hf0.5Zr0.5O2 avec plasticité synaptique à court/long terme

Contexte

Le schéma de calcul classique de von Neumann souffre d'un goulot d'étranglement dans le transfert d'informations entre le centre de traitement et les unités de stockage [1]. En émulant les cerveaux biologiques, l'informatique neuromorphique est devenue un candidat attrayant avec la capacité d'apprentissage et de mémoire dans un seul système [2, 3]. Les synapses électroniques, avec la capacité d'imiter le comportement bio-synaptique, sont à la base des systèmes neuromorphiques. Récemment, des comportements biosynaptiques ont été imités par divers memristors, notamment des dispositifs à deux bornes et de nouveaux transistors synaptiques à trois bornes basés sur des défauts ioniques [4, 5]. Avec une conductance dépendante de l'histoire, il a été rapporté que les memristors simulaient la dépression à long terme (LTD) ou la potentialisation (LTP), la fluctuation des impulsions par paires (PPF), la dépression des impulsions par paires (PPD) et la plasticité dépendante du temps de pointe (STDP). ) [6,7,8]. En particulier, LTP/LTD est vital pour la classification des visages, la reconnaissance numérique et d'autres applications d'intelligence artificielle basées sur la modification du poids synaptique [9,10,11]. Issu d'une réponse de courant post-synaptique immédiate, le STP est largement utilisé pour le filtrage d'informations et la transmission de signaux instantanés [12].

Une variété de systèmes matériels ont été étudiés pour les synapses artificielles avec une plasticité bio-synaptique, y compris HfO₂ , ZnO, WO_x , TaO_x , InGaZnO, polymères organiques et dichalcogénures de métaux de transition 2D (TMDC) [13,14,15,16,17,18,19]. Parmi eux, Hf_0,5 Zr_0,5 O₂ (HZO) est l'un des nouveaux matériaux high-k et compatible avec le processus de semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS) [20]. Bien que des dispositifs synapstiques artificiels à base de HZO aient été rapportés, le processus de préparation à haute température est difficile à éviter [21,22,23].

D'autre part, les dispositifs synaptiques artificiels flexibles ont été largement étudiés pour répondre au besoin croissant d'applications d'intelligence artificielle portables [24, 25]. Cependant, le procédé de préparation à haute température est un frein à l'application d'un substrat souple. Bien qu'un processus de transfert ait été proposé pour résoudre le problème, le taux d'échec élevé et les défauts de plis causés par le transfert entravent l'utilisation à grande échelle de cette méthode [26, 27]. Il convient de noter que le traitement à basse température n'endommage pas les substrats flexibles, ce qui est un moyen efficace de développer des réseaux synaptiques portables à grande échelle.

Dans ce travail, une technique ALD à basse température pour memristor à base de HZO (PET/ITO/HZO/Ag) a été développée. Un processus de commutation de conductance graduelle a été démontré dans ce memristor. Sur la base des caractéristiques de commutation de résistance progressive, la plasticité synaptique typique a été émulée, y compris les courbes LTP/LTD, STP, PPF et d'oubli. Avec la fonction de synapses biologiques, le memristor flexible basé sur HZO est attrayant pour les applications futures dans un système informatique neuromorphique.

Méthodes

Le dispositif synaptique flexible a été préparé sur un substrat de polyéthylène téréphtalate (PET) enduit d'ITO, qui a été nettoyé dans de l'acétone, de l'isopropanol et de l'eau déminéralisée et séché par N₂ couler. Un film HZO de 10 nm d'épaisseur a été déposé sur substrat PET/ITO par ALD avec le gaz vecteur N₂ . Les précurseurs étaient le tétrakis (éthylméthylamino) hafnium (TEMAH), le tétrakis (éthylméthylamino) zirconium (TEMAZ) et H₂ O, et la température de croissance de la chambre ALD a été maintenue à 130 °C. Ensuite, une couche d'électrode supérieure (TE) Ag de 50 nm avec une surface de 100 × 100 μm ² a été déposé par dépôt physique en phase vapeur (PVD) suivi d'un processus de photolithographie et de décollement. La structure de PET/ITO/HZO/Ag a été montrée sur la Fig. 1. L'électrode supérieure d'Ag et l'électrode inférieure d'ITO correspondent aux neurones pré- et post-synaptiques dans la synapse biologique.

Illustration schématique de la synapse biologique entre les neurones et les synapses électriques artificielles. Une bio-synapse était composée d'un neurone pré-synaptique, d'une fente synaptique et d'un neurone post-synaptique. La synapse électrique flexible à base de HZO a été fabriquée avec la structure d'ITO/HZO/Ag sur le substrat plastique à basse température

Les caractéristiques électriques ont été réalisées à l'aide d'un analyseur de paramètres à semi-conducteur (Agilent B1500A) dans l'environnement atmosphérique à température ambiante. L'électrode inférieure était mise à la terre tandis que le biais de programmation était appliqué à l'électrode supérieure.

Résultats et discussion

La figure 2a montre la courbe de commutation résistive bipolaire typique du memristor avec une conformité de courant de 500  uA. La tension de balayage a été appliquée dans une séquence de 0 → 2 V → 0 V pour le processus défini, et la résistance est passée de l'état de haute résistance (HRS) à l'état de faible résistance (LRS). En revanche, une tension négative a été appliquée de 0 V à - 2 V et est revenue à 0 V pour le processus de réinitialisation. La caractéristique de commutation progressive dans les balayages de polarisation positifs et négatifs indique le potentiel du memristor basé sur HZO émulant les comportements synaptiques. La probabilité cumulée des tensions de fonctionnement dans le processus de réglage et de réinitialisation pendant des cycles de balayage consécutifs est illustrée à la Fig. 2. Les moyennes (μ) de la tension de réglage et de la tension de réinitialisation sont respectivement de 0. 99 V et  − 1. 33 V, ce qui a montré le niveau moyen de la tension de fonctionnement. L'écart type (σ) de la tension de fonctionnement (0,245 pour le processus défini et 0,566 pour le processus de réinitialisation) indiquait le degré d'écart par rapport au centre. La fluctuation relative des données pourrait être décrite comme un coefficient de variance (σ/μ). Une uniformité supérieure a été obtenue dans le processus de prise tandis que la variation de la résistance HRS et de la tension de réinitialisation sont remarquables, ce qui pourrait être attribué au processus de formation et de rupture du filament conducteur (CF) des atomes d'Ag. Pendant le processus d'opération d'ensemble, la taille ou le nombre de FC augmenterait. Le niveau actuel de l'appareil est presque linéairement proportionnel à l'incrément de CF. Pendant le processus de réinitialisation, les FC se briseraient et diminueraient. Alors que le niveau actuel du dispositif dépend de manière exponentielle de la longueur de rupture des CF [28]. Un petit changement de CF pendant le processus de réinitialisation peut entraîner des changements évidents de résistance et de tension de réinitialisation. Le rapport ON/OFF de dans un appareil à base de HZO était supérieur à 300, comme le montre la figure 2c.

un Caractéristiques de commutation résistive du dispositif basé sur HZO mesurées par balayage CC. b Distribution des tensions de consigne et de remise à zéro extraites des cycles de balayage DC en flexible. c Données statistiques de HRS et LRS, où la résistance a été mesurée à une tension de lecture de 0,1  V

Outre les comportements de commutation de résistance graduelle en balayage CC, le dispositif à conductance modulée pourrait être programmé par une séquence d'impulsions consécutives. Comme le montre la figure 3a, la conductance pourrait être modulée progressivement pour émuler LTP et LTD avec 400 impulsions de programmation consécutives, indiquant le potentiel du dispositif synaptique pour le calcul neuromorphique. Avec 200 impulsions positives consécutives (0 .8V, 20 ms) et 200 impulsions négatives (− 0 .5V, 20 ms), la conductance du dispositif synaptique s'est potentialisée et diminuée progressivement. L'état de conductance a été obtenu sous une tension de lecture de 0,1 µV après chaque impulsion consécutive. L'oubli est l'un des phénomènes courants dans le cerveau humain, qui pourrait être simulé par la relaxation du courant post-synaptique dans les synapses électriques. Après une série d'impulsions, le courant post-synaptique (PSC) a diminué et est passé à un état intermédiaire au fil du temps, comme le montre la figure 3b. La courbe de l'oubli pourrait être ajustée avec l'équation de Kohlrausch fréquemment utilisée en psychologie :

où I(t) est le PSC au moment du t , Je ₀ est le courant stabilisé, A est un préfacteur, et τ est une constante de temps de relaxation. Dans le dispositif synaptique artificiel, la constante τ était 57 s qui a été utilisé pour évaluer les caractéristiques d'oubli.

un Modulation de conductance graduelle pour LTP et LTD dans la synapse flexible artificielle, où le courant post-synaptique a été obtenu à une tension de lecture de 0,1  V. b Oubli des comportements après 100 impulsions de programmation consécutives (1 V, 50 ms) et courbes ajustées de la synapse électrique

Pour mieux comprendre le mécanisme de travail du dispositif synaptique à base de HZO, les filaments conducteurs (CF) dans différents états ont été montrés sur la Fig. 4. La formation et la rupture des CF étaient dues à la migration d'atomes d'Ag et d'Ag mobile ⁺ . Lorsque le stimulus de programmation positif a été appliqué à l'électrode supérieure, les atomes de l'électrode supérieure ont été oxydés en Ag ⁺ , qui se sont accumulés dans l'électrode inférieure et réduits en atomes d'Ag. Sur la figure 4a–c, l'épaisseur et le diamètre de CF ont légèrement augmenté de l'état I à l'état III, ce qui a induit l'augmentation de la conductance [29]. En revanche, le pont d'atomes d'Ag s'est rompu avec un faible effet sur la conductance après l'application d'une série de pointes négatives dans le memristor, comme le montre la figure 4d–f. Les comportements LTP et LTD typiques dans ce dispositif synaptique artificiel à base de HZO ont été organisés à partir de la formation progressive et de la rupture des FC, respectivement.

un –c Les diagrammes schématiques de la formation du chemin conducteur des cations Ag sous des impulsions positives consécutives dans LTP. d –f Rupture du filament conducteur après des impulsions négatives consécutives en LTD

La plasticité synaptique à court terme est cruciale pour les biosynapses excitatrices et inhibitrices, qui sont considérées comme jouant un rôle important dans le traitement de l'information temporelle [30, 31]. Les comportements PPF et PPD sont des phénomènes typiques à court terme organisés à partir de deux pics synaptiques consécutifs avec un intervalle court. Une telle plasticité a également été imitée avec succès dans notre dispositif synaptique flexible basé sur HZO. La fonction PPF était une amélioration à court terme des poids synaptiques déclenchée par une paire de pointes (2 V, 10  ms) avec un intervalle de 60  ms, comme le montre la figure 5a. En revanche, le courant de réponse du deuxième pic est inférieur à celui du pic précédent, qui est décrit comme PPD et simulé par deux impulsions négatives (− 1 .5V, 10 ms) avec un intervalle de 60 ms.

un Comportement PPF typique induit par une paire de pointes pré-synaptiques (2 V, 10 ms). b Le phénomène PPD de la synapse flexible artificielle sous pointes inhibées (− 1 .5V, 10 ms)

Pour démontrer la fiabilité de la plasticité à long terme dans notre dispositif synaptique, les caractéristiques de rétention ont été mesurées pendant plus de 1000 s. Comme le montre la figure 6, les PSC dans les états excitateurs et inhibiteurs ont été lus avec un biais de 0,1  V après un seul pic pré-synaptique. Le comportement de rétention à long terme de notre appareil basé sur HZO montre le potentiel de stockage, et la conductance modulée consécutive ouvre la voie à la fonction de mémoire, qui pourrait être intégrée dans un système.

un Les caractéristiques de rétention de la synapse électrique sous une impulsion de programmation positive, indiquant les comportements potentiels à long terme. b Dans le processus LTD, le courant post-synaptique peut être inhibé sous une seule impulsion négative (− 0 .5V, 20 ms) et l'état de conductance peut rester stable pendant plus de 1000 s

Conclusions

En résumé, un dispositif synaptique artificiel flexible à base de HZO a été proposé sur la base d'ALD à basse température. Des caractéristiques typiques de commutation résistive bipolaire ont été démontrées dans ce memristor flexible. En appliquant des impulsions consécutives dans l'électrode supérieure, la plasticité à long terme et la plasticité à court terme ont été simulées par la synapse électrique, y compris les comportements LTP, LTD, PPF, PPD et d'oubli. La conductance modulée progressivement pourrait être attribuée au chemin du filament conducteur des ions Ag contrôlable. La synapse électrique flexible devient l'un des candidats prometteurs pour la mise en œuvre matérielle des circuits neuromorphiques.

Abréviations

ALD :

Dépôt de couche atomique

HRS :

État de haute résistance

LRS :

État de faible résistance

LTD :

Dépression à long terme

LTP :

La potentialisation à long terme

STP :

Plasticité à court terme