Lapisan Atom Terdeposit Memristor Fleksibel Berbasis Hf0.5Zr0.5O2 dengan Plastisitas Sinaptik Jangka Pendek/Jangka Panjang
Abstrak
Sinapsis buatan adalah dasar membangun jaringan neuron untuk komputasi neuromorfik untuk mengatasi kemacetan sistem von Neumann. Berdasarkan proses deposisi lapisan atom suhu rendah, sinaps listrik yang fleksibel diusulkan dan menunjukkan karakteristik switching resistif bipolar. Dengan pembentukan dan pemutusan jalur filamen konduktif ion, konduktansi itu dimodulasi secara bertahap. Di bawah serangkaian lonjakan pra-sinaptik, perangkat berhasil meniru plastisitas jangka pendek yang luar biasa, plastisitas jangka panjang, dan perilaku melupakan. Oleh karena itu, memori dan kemampuan belajar diintegrasikan ke dalam satu memristor fleksibel, yang menjanjikan untuk generasi berikutnya dari sistem komputasi neuromorfik buatan.
Latar Belakang
Skema komputasi von Neumann klasik mengalami hambatan transfer informasi antara pusat pemrosesan dan unit penyimpanan [1]. Melalui meniru otak biologis, komputasi neuromorfik telah menjadi kandidat yang menarik dengan kemampuan belajar dan memori dalam satu sistem tunggal [2, 3]. Sinapsis elektronik, dengan kemampuan meniru perilaku bio-sinaptik, adalah dasar dari sistem neuromorfik. Baru-baru ini, perilaku bio-sinaptik telah ditiru oleh berbagai memristor, termasuk perangkat dua terminal dan transistor sinaptik tiga terminal baru berdasarkan cacat ionik [4, 5]. Dengan konduktansi yang bergantung pada riwayat, memristor dilaporkan mensimulasikan depresi jangka panjang (LTD) atau potensiasi (LTP), fluktuasi pasangan-pulsa (PPF), depresi pulsa berpasangan (PPD), dan plastisitas bergantung pada waktu lonjakan (STDP). ) [6,7,8]. Terutama, LTP/LTD sangat penting untuk klasifikasi wajah, pengenalan digital, dan aplikasi kecerdasan buatan lainnya berdasarkan modifikasi bobot sinaptik [9,10,11]. Berasal dari respons arus pasca-sinaptik langsung, STP banyak digunakan untuk penyaringan informasi dan transmisi sinyal seketika [12].
Berbagai sistem material dipelajari untuk sinapsis buatan dengan plastisitas bio-sinaptik, termasuk HfO2 , ZnO, WOx , TaOx , InGaZnO, polimer organik, dan dichalcogenides logam transisi 2D (TMDCs) [13,14,15,16,17,18,19]. Diantaranya, Hf0.5 Zr0,5 O2 (HZO) adalah salah satu bahan high-k baru dan kompatibel dengan proses semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) [20]. Meskipun perangkat sinapstik buatan berbasis HZO telah dilaporkan, proses persiapan suhu tinggi sulit untuk dihindari [21,22,23].
Di sisi lain, perangkat sinaptik buatan yang fleksibel dipelajari secara luas untuk memenuhi meningkatnya kebutuhan akan aplikasi kecerdasan buatan yang dapat dipakai [24, 25]. Namun, proses persiapan suhu tinggi merupakan halangan untuk penerapan substrat yang fleksibel. Meskipun proses transfer diusulkan untuk memecahkan masalah, tingkat kegagalan yang tinggi dan cacat kerutan yang disebabkan oleh transfer menghalangi penggunaan metode ini dalam skala besar [26, 27]. Perlu diperhatikan bahwa pemrosesan suhu rendah tidak merusak substrat fleksibel, yang merupakan cara efektif untuk mengembangkan susunan sinaptik yang dapat dipakai dalam skala besar.
Dalam karya ini, teknik ALD suhu rendah untuk memristor berbasis HZO (PET/ITO/HZO/Ag) dikembangkan. Proses switching konduktansi bertahap ditunjukkan dalam memristor ini. Berdasarkan karakteristik switching resistensi bertahap, plastisitas sinaptik khas ditiru, termasuk LTP/LTD, STP, PPF, dan kurva melupakan. Dengan fungsi sinapsis biologis, memristor berbasis HZO yang fleksibel menarik untuk aplikasi masa depan dalam sistem komputasi neuromorfik.
Metode
Perangkat sinaptik fleksibel disiapkan pada substrat polietilen tereftalat (PET) berlapis ITO, yang dibersihkan dalam aseton, isopropanol, dan air deionisasi dan dikeringkan dengan N2 mengalir. Film HZO setebal 10 nm diendapkan pada substrat PET/ITO oleh ALD dengan gas pembawa N2 . Prekursornya adalah tetrakis (etilmetilamino) hafnium (TEMAH), tetrakis (etilmetilamino) zirkonium (TEMAZ), dan H2 O, dan suhu pertumbuhan ruang ALD dipertahankan pada 130 °C. Kemudian, lapisan elektroda atas (TE) Ag 50 nm dengan luas 100 × 100 μm
2
diendapkan oleh physical vapor deposition (PVD) yang dilanjutkan dengan proses fotolitografi dan pengangkatan. Struktur PET/ITO/ HZO/Ag ditunjukkan pada Gambar 1. Elektroda atas Ag dan elektroda bawah ITO sesuai dengan neuron pra dan pasca sinaptik dalam sinaps biologis.
Ilustrasi skema sinapsis biologis antara neuron dan sinapsis listrik buatan. Sebuah bio-sinaps terdiri dari neuron pra-sinaptik, celah sinaptik, dan neuron pasca-sinaptik. Sinapsis listrik fleksibel berbasis HZO dibuat dengan struktur ITO/HZO/Ag pada substrat plastik pada suhu rendah
Karakteristik kelistrikan dilakukan dengan menggunakan penganalisis parameter semikonduktor (Agilent B1500A) di lingkungan atmosfer pada suhu kamar. Elektroda bawah diarde sementara bias pemrograman diterapkan ke elektroda atas.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a menunjukkan kurva switching resistif bipolar khas dari memristor dengan kepatuhan arus 500 uA. Tegangan sapuan diterapkan dalam urutan 0 → 2 V → 0 V untuk proses yang ditetapkan, dan resistansi berubah dari status resistansi tinggi (HRS) ke status resistansi rendah (LRS). Sebaliknya, tegangan negatif diterapkan dari 0 V ke 2 V dan kembali ke 0 V untuk proses reset. Karakteristik peralihan bertahap dalam sapuan bias positif dan negatif menunjukkan potensi memristor berbasis HZO yang meniru perilaku sinaptik. Probabilitas kumulatif tegangan operasi dalam proses set dan reset selama siklus sapuan berturut-turut ditunjukkan pada Gambar. 2. Rata-rata (μ) dari tegangan set dan tegangan reset masing-masing adalah 0, 99 V dan − 1, 33 V, yang menunjukkan tingkat rata-rata tegangan operasi. Standar deviasi (σ) dari tegangan operasi (0,245 untuk proses set dan 0,566 untuk proses reset) menunjukkan tingkat deviasi dari pusat. Fluktuasi relatif data dapat digambarkan sebagai koefisien varians (σ/μ). Keseragaman superior diperoleh dalam proses set sementara variasi resistensi HRS dan tegangan reset luar biasa, yang dapat dikaitkan dengan pembentukan dan proses pecahnya filamen konduktif (CF) atom Ag. Selama proses operasi set, ukuran atau jumlah CF akan meningkat. Tingkat perangkat saat ini hampir berbanding lurus dengan kenaikan CF. Selama proses reset, CF akan rusak dan berkurang. Sementara tingkat perangkat saat ini secara eksponensial tergantung pada panjang putus CF [28]. Perubahan kecil CF selama proses reset dapat mengakibatkan perubahan resistansi dan tegangan reset yang jelas. Rasio ON/OFF pada perangkat berbasis HZO lebih besar dari 300, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c.
a Karakteristik switching resistif perangkat berbasis HZO diukur dengan sapuan DC. b Distribusi tegangan set dan reset yang diekstraksi dari siklus sapuan DC dalam perangkat fleksibel. c Data statistik HRS dan LRS, di mana resistansi diukur pada tegangan baca 0,1 V
Selain perilaku switching resistansi secara bertahap dalam sapuan DC, perangkat dengan konduktansi termodulasi dapat diprogram oleh urutan pulsa berurutan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, konduktansi dapat dimodulasi secara bertahap untuk meniru LTP dan LTD dengan 400 pulsa pemrograman berturut-turut, yang menunjukkan potensi perangkat sinaptik untuk komputasi neuromorfik. Dengan 200 pulsa positif berturut-turut (0 .8V, 20 ms) dan 200 pulsa negatif (− 0 .5V, 20 ms), konduktansi perangkat sinaptik diperkuat dan diturunkan secara bertahap. Keadaan konduktansi diperoleh di bawah tegangan baca 0,1 V setelah setiap pulsa berturut-turut. Lupa adalah salah satu fenomena umum di otak manusia, yang dapat disimulasikan dengan relaksasi arus pasca-sinaptik di sinapsis listrik. Setelah serangkaian pulsa, arus post-sinaptik (PSC) meluruh dan berubah menjadi keadaan menengah dari waktu ke waktu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Kurva pelupa dapat dilengkapi dengan persamaan Kohlrausch yang sering digunakan dalam psikologi:
$$ I(t)={I}_0+A\exp \left(-t/\tau \right) $$ (1)
dimana Aku(t) adalah PSC pada saat t , Aku0 adalah arus stabil, A adalah faktor awal, dan τ adalah konstanta waktu relaksasi. Dalam perangkat sinaptik buatan, konstanta τ adalah 57 yang digunakan untuk mengevaluasi karakteristik pelupa.
a Modulasi konduktansi bertahap untuk LTP dan LTD dalam sinapsis fleksibel buatan, di mana arus pasca-sinaptik diperoleh pada tegangan baca 0,1 V. b Melupakan perilaku setelah 100 pulsa pemrograman berturut-turut (1 V, 50 ms) dan kurva pas sinaps listrik
Untuk lebih memahami mekanisme kerja perangkat sinaptik berbasis HZO, filamen konduktif (CF) di berbagai negara ditunjukkan pada Gambar. 4. Pembentukan dan pecahnya CF disebabkan oleh migrasi atom Ag dan Ag seluler. ++
. Ketika stimulus pemrograman positif diterapkan ke elektroda atas, atom elektroda atas dioksidasi menjadi Ag
+
, yang terakumulasi di elektroda bawah dan direduksi menjadi atom Ag. Pada Gambar. 4a-c, ketebalan dan diameter CF sedikit meningkat dari keadaan I ke keadaan III, yang menginduksi peningkatan konduktansi [29]. Sebaliknya, jembatan atom Ag pecah dengan efek lemah pada konduktansi setelah menerapkan serangkaian paku negatif di memristor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d-f. Perilaku LTP dan LTD yang khas dalam perangkat sinaptik buatan berbasis HZO ini masing-masing diatur dari formasi bertahap CF dan pecah.
a –c Diagram skema pembentukan jalur konduktif kation Ag di bawah pulsa positif berturut-turut di LTP. d –f Pecahnya filamen konduktif setelah pulsa negatif berturut-turut di LTD
Plastisitas sinaptik jangka pendek sangat penting untuk kedua bio-sinaps rangsang dan penghambatan, yang dianggap memainkan peran penting dalam pengobatan informasi temporal [30, 31]. Perilaku PPF dan PPD adalah fenomena jangka pendek yang khas yang diatur dari dua lonjakan sinaptik berturut-turut dengan interval pendek. Plastisitas seperti itu juga berhasil ditiru dalam perangkat sinaptik berbasis HZO fleksibel kami. Fungsi PPF adalah peningkatan jangka pendek dari bobot sinaptik yang dipicu oleh sepasang paku (2 V, 10 ms) dengan interval 60 ms, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Sebaliknya, arus respons lonjakan kedua lebih kecil dari lonjakan sebelumnya, yang digambarkan sebagai PPD dan disimulasikan oleh dua pulsa negatif (− 1 .5V, 10 ms) dengan interval 60 ms.
a Perilaku PPF khas yang diinduksi oleh sepasang paku pra-sinaptik (2 V, 10 ms). b Fenomena PPD dari sinapsis fleksibel buatan di bawah paku yang dihambat (− 1 .5V, 10 ms)
Untuk menunjukkan keandalan plastisitas jangka panjang di perangkat sinaptik kami, karakteristik retensi diukur selama lebih dari 1000 detik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, PSC dalam keadaan rangsang dan penghambatan dibaca pada bias 0,1 V setelah lonjakan pra-sinaptik tunggal. Perilaku retensi jangka panjang dari perangkat berbasis HZO kami menunjukkan potensi penyimpanan, dan konduktansi termodulasi berurutan membuka jalan bagi fungsi memori, yang dapat diintegrasikan ke dalam suatu sistem.
a Karakteristik retensi sinapsis listrik di bawah pulsa pemrograman positif, menunjukkan perilaku potensial jangka panjang. b Dalam proses LTD, arus pasca-sinaptik dapat dihambat di bawah satu pulsa negatif (− 0 .5V, 20 ms) dan status konduktansi dapat tetap stabil selama lebih dari 1000 s
Kesimpulan
Singkatnya, perangkat sinaptik buatan berbasis HZO yang fleksibel diusulkan berdasarkan ALD suhu rendah. Karakteristik switching resistif bipolar yang khas ditunjukkan dalam memristor fleksibel ini. Dengan menerapkan pulsa berurutan di elektroda atas, plastisitas jangka panjang dan plastisitas jangka pendek disimulasikan oleh sinapsis listrik, termasuk LTP, LTD, PPF, PPD, dan perilaku melupakan. Konduktansi termodulasi secara bertahap dapat dikaitkan dengan jalur filamen konduktif ion Ag yang dapat dikontrol. Sinapsis listrik yang fleksibel menjadi salah satu kandidat yang menjanjikan untuk implementasi perangkat keras sirkuit neuromorfik.
