Camada atômica depositada Memristor flexível à base de Hf0.5Zr0.5O2 com plasticidade sináptica de curto / longo prazo

Resumo

As sinapses artificiais são fundamentais para a construção de uma rede de neurônios para a computação neuromórfica a fim de superar o gargalo do sistema de von Neumann. Com base em um processo de deposição de camada atômica em baixa temperatura, uma sinapse elétrica flexível foi proposta e apresentou características de chaveamento resistivo bipolar. Com a formação e ruptura do trajeto dos filamentos condutores de íons, a condutância foi modulada gradativamente. Sob uma série de picos pré-sinápticos, o dispositivo emulou com sucesso notável plasticidade de curto prazo, plasticidade de longo prazo e comportamentos de esquecimento. Portanto, a memória e a capacidade de aprendizado foram integradas ao único memristor flexível, que são promissores para a próxima geração de sistemas de computação neuromórficos artificiais.

Histórico

O esquema de computação clássico de von Neumann está sofrendo um gargalo na transferência de informações entre o centro de processamento e as unidades de armazenamento [1]. Por meio da emulação de cérebros biológicos, a computação neuromórfica se tornou uma candidata atraente com a capacidade de aprendizado e memória em um único sistema [2, 3]. As sinapses eletrônicas, com a capacidade de imitar o comportamento bio-sináptico, são a base dos sistemas neuromórficos. Recentemente, comportamentos bio-sinápticos foram emulados por vários memristores, incluindo dispositivos de dois terminais e novos transistores sinápticos de três terminais baseados em defeitos iônicos [4, 5]. Com condutância dependente de história, memristores foram relatados para simular a depressão de longo prazo (LTD) ou potenciação (LTP), flutuação de pulso de par (PPF), depressão de pulso emparelhado (PPD) e plasticidade dependente de tempo de pico (STDP ) [6,7,8]. Especialmente, LTP / LTD é vital para classificação facial, reconhecimento digital e outras aplicações de inteligência artificial baseadas na modificação de peso sináptica [9,10,11]. Originário da resposta de corrente pós-sináptica imediata, o STP é amplamente utilizado para filtragem de informações e transmissão instantânea de sinais [12].

Uma variedade de sistemas de materiais foram estudados para sinapses artificiais com plasticidade bio-sináptica, incluindo HfO ₂ , ZnO, WO _x , TaO _x , InGaZnO, polímeros orgânicos e dichalcogenetos de metais de transição 2D (TMDCs) [13,14,15,16,17,18,19]. Entre eles, Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ (HZO) é um dos novos materiais high-k e compatível com o processo de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) [20]. Embora dispositivos sinápticos artificiais à base de HZO tenham sido relatados, o processo de preparação em alta temperatura é difícil de ser evitado [21,22,23].

Por outro lado, dispositivos sinápticos artificiais flexíveis foram amplamente estudados para satisfazer a crescente necessidade de aplicações de inteligência artificial vestíveis [24, 25]. No entanto, o processo de preparação em alta temperatura é um impedimento para a aplicação de um substrato flexível. Embora um processo de transferência tenha sido proposto para resolver o problema, a alta taxa de falhas e defeitos de rugas causados pela transferência dificultam o uso em larga escala deste método [26, 27]. É importante notar que o processamento em baixa temperatura não causa danos aos substratos flexíveis, o que é uma maneira eficaz de desenvolver matrizes sinápticas vestíveis em grande escala.

Neste trabalho, uma técnica ALD de baixa temperatura para memristor à base de HZO (PET / ITO / HZO / Ag) foi desenvolvida. O processo de comutação de condutância gradual foi demonstrado neste memristor. Com base nas características de comutação de resistência gradual, a plasticidade sináptica típica foi emulada, incluindo LTP / LTD, STP, PPF e curvas de esquecimento. Com a função de sinapses biológicas, o flexível memristor baseado em HZO é atraente para futuras aplicações em um sistema de computação neuromórfico.

Métodos

O dispositivo sináptico flexível foi preparado em substrato de tereftalato de polietileno (PET) revestido com ITO, que foi limpo em acetona, isopropanol e água desionizada e seco por N ₂ fluxo. Um filme de HZO de 10 nm de espessura foi depositado em substrato PET / ITO por ALD com o gás transportador de N ₂ . Os precursores foram tetraquis (etilmetilamino) háfnio (TEMAH), tetraquis (etilmetilamino) zircônio (TEMAZ) e H ₂ O, e a temperatura de crescimento da câmara ALD foi mantida a 130 ° C. Em seguida, uma camada de eletrodo superior (TE) de Ag de 50 nm com uma área de 100 × 100 μm ² foi depositado por deposição física de vapor (PVD) seguido por fotolitografia e processo de lift-off. A estrutura de PET / ITO / HZO / Ag foi mostrada na Fig. 1. O eletrodo superior de Ag e o eletrodo inferior de ITO são correspondentes ao neurônio pré e pós-sináptico na sinapse biológica.

Ilustração esquemática da sinapse biológica entre neurônios e sinapses elétricas artificiais. Uma bio-sinapse era composta de neurônio pré-sináptico, fenda sináptica e neurônio pós-sináptico. A sinapse elétrica flexível à base de HZO foi fabricada com a estrutura de ITO / HZO / Ag no substrato de plástico em baixa temperatura

As características elétricas foram realizadas em um analisador de parâmetros semicondutores (Agilent B1500A) em ambiente atmosférico em temperatura ambiente. O eletrodo inferior foi aterrado enquanto o viés de programação foi aplicado ao eletrodo superior.

Resultados e discussão

A Figura 2a mostra a curva de comutação resistiva bipolar típica do memristor com a complacência de corrente de 500 uA. A tensão de varredura foi aplicada em uma sequência de 0 → 2 V → 0 V para o processo configurado, e a resistência passou do estado de alta resistência (HRS) para o estado de baixa resistência (LRS). Em contraste, uma tensão negativa foi aplicada de 0 V a - 2 V e retornou a 0 V para o processo de reinicialização. A característica de comutação gradual em varreduras de polarização positiva e negativa indica o potencial do memristor baseado em HZO emular comportamentos sinápticos. A probabilidade cumulativa das tensões de operação no processo de ajuste e reset durante os ciclos de varredura consecutivos é mostrada na Fig. 2. As médias (μ) da tensão de ajuste e da tensão de reset são 0,99 V e -1,33 V, respectivamente, que mostrou o nível médio de tensão de operação. O desvio padrão (σ) da tensão de operação (0,245 para processo de ajuste e 0,566 para processo de reset) indicava o grau de desvio do centro. A flutuação relativa dos dados pode ser descrita como um coeficiente de variância (σ / μ). Uniformidade superior foi obtida no processo de conjunto enquanto a variação da resistência HRS e da tensão de reset são notáveis, o que pode ser atribuído ao processo de formação e ruptura do filamento condutor (CF) de átomos de Ag. Durante o processo de operação do conjunto, o tamanho ou o número de CFs aumentaria. O nível atual do dispositivo é quase linearmente proporcional ao incremento de CFs. Durante o processo de reinicialização, os CFs quebrariam e diminuiriam. Enquanto o nível atual do dispositivo é exponencialmente dependente do comprimento de ruptura dos CFs [28]. Uma pequena mudança de CFs durante o processo de reinicialização pode resultar em mudanças óbvias de resistência e voltagem de reinicialização. A relação ON / OFF de μ no dispositivo baseado em HZO era maior do que 300, conforme mostrado na Fig. 2c.

a Características de chaveamento resistivo de dispositivo baseado em HZO medido por varredura DC. b Distribuição das tensões de ajuste e reset extraídas de ciclos de varredura DC em dispositivo flexível. c Dados estatísticos de HRS e LRS, onde a resistência foi medida em uma tensão de leitura de 0,1 V

Além dos comportamentos de chaveamento de resistência graduais em varredura CC, o dispositivo com condutância modulada pode ser programado por uma sequência de pulsos consecutivos. Como mostrado na Fig. 3a, a condutância pode ser modulada gradualmente para emular LTP e LTD com 400 pulsos de programação consecutivos, indicando o potencial do dispositivo sináptico para computação neuromórfica. Com 200 pulsos positivos consecutivos (0,8 V, 20 ms) e 200 pulsos negativos (- 0,5 V, 20 ms), a condutância do dispositivo sináptico foi potencializada e reduzida gradualmente. O estado de condutância foi obtido sob uma tensão lida de 0,1 V após cada pulso consecutivo. O esquecimento é um dos fenômenos comuns no cérebro humano, que poderia ser simulado pelo relaxamento da corrente pós-sináptica nas sinapses elétricas. Após uma série de pulsos, a corrente pós-sináptica (PSC) decaiu e voltou a um estado intermediário ao longo do tempo, conforme mostrado na Fig. 3b. A curva de esquecimento poderia ser ajustada com a equação de Kohlrausch que era freqüentemente usada em psicologia:
$$ I (t) ={I} _0 + A \ exp \ left (-t / \ tau \ right) $$ (1)
onde I (t) é o PSC no momento de t , eu ₀ é a corrente estabilizada, A é um prefator, e τ é uma constante de tempo de relaxamento. No dispositivo sináptico artificial, a constante τ foi de 57 s que foi usado para avaliar as características de esquecimento.

a Modulação de condutância gradual para LTP e LTD na sinapse flexível artificial, onde a corrente pós-sináptica foi obtida em uma tensão de leitura de 0,1 V. b Esquecendo comportamentos após 100 pulsos de programação consecutivos (1 V, 50 ms) e curvas ajustadas da sinapse elétrica

Para entender melhor o mecanismo de trabalho do dispositivo sináptico baseado em HZO, os filamentos condutores (CF) em diferentes estados foram mostrados na Fig. 4. A formação e ruptura dos CFs foram devido à migração de átomos de Ag e Ag + . Quando o estímulo de programação positivo foi aplicado ao eletrodo superior, os átomos do eletrodo superior foram oxidados a Ag ⁺ , que foram acumulados no eletrodo inferior e reduzidos a átomos de Ag. Na Fig. 4a-c, a espessura e o diâmetro do CF aumentaram ligeiramente do estado I para o estado III, o que induziu o aumento da condutância [29]. Em contraste, a ponte de átomos de Ag se rompeu com um efeito fraco na condutância após a aplicação de uma série de pontas negativas no memristor, como mostrado na Fig. 4d-f. Os comportamentos típicos de LTP e LTD neste dispositivo sináptico artificial baseado em HZO foram organizados a partir da formação e ruptura graduais de CF, respectivamente.

a - c Os diagramas esquemáticos da formação do caminho condutor dos cátions Ag sob pulsos positivos consecutivos em LTP. d - f Ruptura do filamento condutor após pulsos negativos consecutivos em LTD

A plasticidade sináptica de curto prazo é crucial para as biossinapses excitatórias e inibitórias, que são consideradas funções importantes no tratamento da informação temporal [30, 31]. Os comportamentos PPF e PPD são fenômenos típicos de curto prazo organizados a partir de dois picos sinápticos consecutivos com um curto intervalo. Essa plasticidade também foi imitada com sucesso em nosso dispositivo sináptico flexível baseado em HZO. A função PPF foi o aumento de curto prazo dos pesos sinápticos disparado por um par de picos (2 V, 10 ms) com um intervalo de 60 ms, como mostrado na Fig. 5a. Em contraste, a corrente de resposta do segundo pico é menor do que a do pico anterior, que é descrito como PPD e simulado por dois pulsos negativos (-1,5 V, 10 ms) com um intervalo de 60 ms.

a Comportamento típico de PPF induzido por um par de picos pré-sinápticos (2 V, 10 ms). b O fenômeno PPD da sinapse flexível artificial sob picos inibidos (-1 .5V, 10 ms)

Para demonstrar a confiabilidade da plasticidade de longo prazo em nosso dispositivo sináptico, as características de retenção foram medidas por mais de 1000 s. Como mostrado na Fig. 6, o PSC em estados excitatórios e inibitórios foram lidos em uma polarização de 0,1 V após um único pico pré-sináptico. O comportamento de retenção de longo prazo de nosso dispositivo baseado em HZO mostra o potencial de armazenamento, e a condutância modulada consecutiva abre o caminho para a função de memória, que pode ser integrada em um sistema.

a As características de retenção da sinapse elétrica sob pulso de programação positiva, indicando os comportamentos potenciais de longo prazo. b No processo LTD, a corrente pós-sináptica pode ser inibida sob um único pulso negativo (-0,5 V, 20 ms) e o estado de condutância pode permanecer estável por mais de 1000 s

Conclusões

Em resumo, um dispositivo sináptico artificial baseado em HZO flexível foi proposto com base em ALD de baixa temperatura. Características típicas de chaveamento resistivo bipolar foram demonstradas neste memristor flexível. Ao aplicar pulsos consecutivos no eletrodo superior, a plasticidade de longo prazo e a plasticidade de curto prazo foram simuladas pela sinapse elétrica, incluindo LTP, LTD, PPF, PPD e comportamentos de esquecimento. A condutância gradualmente modulada pode ser atribuída ao caminho do filamento condutor de íons de Ag controlável. A sinapse elétrica flexível torna-se um dos candidatos promissores para implementação de hardware de circuitos neuromórficos.

Abreviações

ALD:: Deposição de camada atômica
HRS:: Estado de alta resistência
LRS:: Estado de baixa resistência
LTD:: Depressão de longa duração
LTP:: Potencialização a longo prazo
STP:: Plasticidade de curto prazo

Revisitando a emissão de conversão ascendente de vermelho aprimorada de um único β-NaYF4:microcristal Yb / Er por dopagem com íons Mn2 + Deposição de nanopartículas de conversão ascendente modificadas em vidro por um método assistido por laser para melhorar o desempenho da cultura celular

Nanomateriais

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biológico

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