Memristor Flexível de Hf0.5Zr0.5O2 por ALD de Baixa Temperatura Exibindo Plasticidade Sináptica de Curto e Longo Prazo

Resumo

Sinapses artificiais são a pedra angular de circuitos neuromórficos, oferecendo um caminho para transcender o gargalo de von Neumann. Usando um processo de deposição atômica em camadas (ALD) de baixa temperatura, fabricamos uma sinapse elétrica flexível baseada em Hf0.5Zr0.5O2 (HZO). O dispositivo exibe comutação resistiva bipolar governada pela formação e ruptura gradual de filamentos condutores de íons Ag. Sob sequências de picos pré-sinápticos, o memristor reproduz comportamentos biológicos chave — plasticidade de curto prazo (STP), potenciação/depressão de longo prazo (LTP/LTD), facilitação/depressão de pulso pareado (PPF/PPD) e dinâmica de esquecimento — integrando memória e aprendizado em uma única plataforma flexível pronta para hardware neuromórfico de próxima geração.

Introdução

A arquiteta convencional de von Neumann luta com tráfego de dados entre processadores e memória, limitando o desempenho em tarefas intensivas em dados. Computação neuromórfica emula circuitos corticais, fornecendo aprendizado e memória intrínsecos dentro de um sistema unificado. Central a esta abordagem estão sinapses eletrônicas que imitam a condutância adaptativa de junções biológicas. Avanços recentes demonstraram uma variedade de sinapses memristivas — incluindo dispositivos de dois terminais e transistores de defeitos iônicos de três terminais — capazes de reproduzir fenômenos como depressão/potenciação de longo prazo (LTD/LTP), flutuação de pulso pareado (PPF), depressão de pulso pareado (PPD) e plasticidade dependente do tempo de pico (STDP). LTD/LTP são essenciais para reconhecimento de padrões e tarefas de IA, enquanto STP subjaz filtragem temporal e transmissão rápida de sinais.

Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) se destaca como um dielétrico high-k compatível com processos CMOS, ainda a maioria das sinapses baseadas em HZO relatadas requer fabricação de alta temperatura que impede substratos flexíveis. Dispositivos sinápticos flexíveis são cruciais para IA vestível, ainda etapas de alta temperatura introduzem defeitos durante transferência, limitando escalabilidade. ALD de baixa temperatura oferece uma rota amigável ao substrato para arrays flexíveis de grande área e livres de defeitos.

Aqui apresentamos um memristor PET/ITO/HZO/Ag fabricado a 130 °C via ALD. O dispositivo mostra comutação resistiva gradual e reproduz fielmente um conjunto de comportamentos de plasticidade sináptica, tornando-o um candidato promissor para sistemas neuromórficos de hardware.

Métodos

A pilha flexível foi construída sobre ITO revestido em tereftalato de polietileno (PET). O substrato foi limpo sequencialmente com acetona, isopropanol e água desionizada, então seco sob nitrogênio. Um filme de HZO de 10 nm foi depositado por ALD (transportador N2) usando precursores TEMAH, TEMAZ e H2O a 130 °C. Subsequentemente, um eletrodo superior de Ag de 50 nm (100 × 100 µm²) foi definido por deposição por vapor físico, fotolitografia e lift-off. A estrutura resultante PET/ITO/HZO/Ag (Fig. 1) mapeia Ag e ITO para neurônios pré e pós-sinápticos, respectivamente.

Medidas elétricas foram conduzidas com um analisador de parâmetros Agilent B1500A em ar ambiente à temperatura ambiente. O eletrodo inferior foi aterrado enquanto o eletrodo superior recebeu o viés.

Resultados e Discussão

A Figura 2a exibe a curva típica de comutação resistiva bipolar sob uma conformidade de 500 µA. Uma varredura positiva de 0 → 2 V define o dispositivo de estado de alta resistência (HRS) para estado de baixa resistência (LRS), enquanto uma varredura negativa de 0 → −2 V o reseta. A transição gradual em ambas as polaridades confirma a adequação do dispositivo para emulação sináptica.

Análise estatística de 200 varreduras DC consecutivas (Fig. 2b) resulta em tensões médias de set e reset de 0,99 V e −1,33 V, com desvios padrão de 0,245 V e 0,566 V, respectivamente. O coeficiente de variação é menor para o processo de set, refletindo melhor uniformidade. A razão ON/OFF excede 300 (Fig. 2c), demonstrando uma janela resistiva robusta.

Aplicar pulsos de tensão consecutivos modula a condutância do dispositivo de maneira controlada. Com 200 pulsos positivos (0,8 V, 20 ms) seguidos por 200 pulsos negativos (−0,5 V, 20 ms), a condutância aumenta (LTP) e diminui (LTD) progressivamente (Fig. 3a), ilustrando plasticidade de longo prazo. Após sequências de pulsos, a corrente pós-sináptica (PSC) relaxa para um estado intermediário, imitando o esquecimento biológico (Fig. 3b). O decaimento se ajusta à função de Kohlrausch: I(t)=I0+A exp(−t/τ) com τ = 57 s, quantificando a constante de tempo de esquecimento.

O mecanismo subjacente envolve migração de íons Ag formando filamentos condutores (FC). Viés positivo oxida Ag para Ag+, que migra e reduz no eletrodo inferior, engrossando o FC (estados I–III) e aumentando a condutância. Viés negativo rompe o filamento, reduzindo a condutância (estados d–f) (Fig. 4). Esta dinâmica reversível de FC fundamenta o LTP/LTD observado.

Plasticidade de curto prazo é evidenciada por facilitação de pulso pareado (PPF) e depressão de pulso pareado (PPD). Um par de 2 V, 10 ms com intervalo de 60 ms aumenta a segunda PSC (PPF), enquanto um par de −1,5 V a suprime (PPD) (Fig. 5). Esses comportamentos espelham a filtragem temporal sináptica observada na biologia.

Testes de retenção por 1000 s confirmam correntes pós-sinápticas estáveis em ambos os estados excitatório (positivo) e inibitório (negativo) (Fig. 6), ressaltando o potencial do dispositivo para armazenamento de memória de longo prazo.

Conclusões

Demonstramos um memristor flexível PET/ITO/HZO/Ag fabricado por ALD de baixa temperatura que exibe comutação bipolar confiável e um conjunto abrangente de fenômenos de plasticidade sináptica — LTP, LTD, PPF, PPD e esquecimento. A modulação gradual da condutância origina-se de filamentos condutores de íons Ag controláveis. Este dispositivo constitui um bloco de construção viável para hardware neuromórfico flexível e escalável capaz de aprendizado e memória simultâneos.

Abreviações

ALD

Deposição atômica em camadas

HRS

Estado de alta resistência

LRS

Estado de baixa resistência

LTD

Depressão de longo prazo

LTP

Potenciação de longo prazo

STP

Plasticidade de curto prazo