Laag-temperatuur ALD flexibele Hf0.5Zr0.5O2 memristor met korte- en lange-termijn synaptische plasticiteit

Samenvatting

Kunstmatige synapsen zijn de hoeksteen van neuromorfische circuits, die een weg bieden om de von Neumann-knoop te doorbreken. Met behulp van een laag-temperatuur atomaire laagafzetting (ALD) proces, fabriceerden we een flexibele elektrische synapse gebaseerd op Hf0.5Zr0.5O2 (HZO). Het apparaat toont bipolaire weerstandsschakeling bestuurd door de graduele vorming en breuk van Ag-ion geleidende filamenten. Onder reeksen van pre-synapticke pulsen, reproduceert de memristor cruciale biologische gedragingen—korte-termijn plasticiteit (STP), lange-termijn potentiëring/depressie (LTP/LTD), gepaarde-puls facilitatie/depressie (PPF/PPD), en vergeet-dynamica—wat geheugen en leren integreert in een enkel, buigbaar platform geschikt voor next-generation neuromorfische hardware.

Achtergrond

De conventionele von Neumann-architectuur worstelt met dataverkeer tussen processors en geheugen, wat de prestaties in data-intensieve taken beperkt [1]. Neuromorfische computing emuleert korticale circuits, wat intrinsiek leren en geheugen biedt binnen een geünificeerd systeem [2,3]. Centraal in deze benadering zijn elektronische synapsen die de adaptieve geleiding van biologische junkties nabootsen. Recente vooruitgang heeft een verscheidenheid aan memristieve synapsen gedemonstreerd—waaronder tweeterminale apparaten en driederminale ionische-defect transistors—in staat om verschijnselen zoals lange-termijn depressie/potentiëring (LTD/LTP), gepaarde-puls fluctuaties (PPF), gepaarde-puls depressie (PPD), en spike-timing-afhankelijke plasticiteit (STDP) te reproduceren [4–8]. LTD/LTP zijn essentieel voor patroonherkenning en AI-taken [9–11], terwijl STP ten grondslag ligt aan temporele filtering en snelle signaaltransmissie [12].

Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) profileert zich als een hoge-k dielectrica compatibel met CMOS-processen, doch de meeste gerapporteerde HZO-gebaseerde synapsen vereisen hoge-temperatuur fabricatie die flexibele substraten uitsluit [20–23]. Flexibele synaptische apparaten zijn cruciaal voor draagbare AI, doch hoge-temperatuur stappen introduceren defecten tijdens transfer, wat schaalbaarheid beperkt [26,27]. Laag-temperatuur ALD biedt een substraat-vriendelijke route naar groot-oppervlakte, defect-vrije flexibele arrays.

Hier presenteren we een PET/ITO/HZO/Ag memristor geproduceerd bij 130 °C via ALD. Het apparaat toont graduele weerstandsschakeling en reproduceert getrouw een reeks synaptische plasticiteitsgedragingen, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor hardware neuromorfische systemen.

Methoden

De flexibele stack werd opgebouwd op ITO-gecoate polyethyleentereftalaat (PET). Het substraat werd achtereenvolgens gereinigd met aceton, isopropanol, en gedemineraliseerd water, en vervolgens gedroogd onder stikstof. Een 10-nm HZO-film werd aangebracht door ALD (N2 dragergas) met TEMAH, TEMAZ, en H2O precursors bij 130 °C. Vervolgens werd een 50-nm Ag top-elektrode (100 × 100 µm²) gedefinieerd door fysieke dampafzetting, fotolithografie, en lift-off. De resulterende PET/ITO/HZO/Ag structuur (Fig. 1) wijst Ag en ITO toe aan pre- en post-synapticke neuronen, respectievelijk.

Schematisch overzicht van een biologische synapse en haar kunstmatige tegenhanger, geproduceerd op PET via laag-temperatuur ALD.

Elektrische metingen werden uitgevoerd met een Agilent B1500A parameteranalyser in omgevingslucht bij kamertemperatuur. De bodemelektrode was geaard terwijl de topelektrode de bias ontving.

Resultaten en Discussie

Figuur 2a toont de typische bipolaire weerstandsschakelcurve onder een 500 µA compliantie. Een positieve sweep van 0 → 2 V zet het apparaat van hoge-weerstandsstaat (HRS) naar lage-weerstandsstaat (LRS), terwijl een negatieve sweep van 0 → −2 V het reset. De graduele overgang in beide polariteiten bevestigt de geschiktheid van het apparaat voor synaptische emulatie.

Statistische analyse van 200 opeenvolgende DC-sweeps (Fig. 2b) levert gemiddelde set- en reset-spanningen van 0,99 V en −1,33 V op, met standaardafwijkingen van 0,245 V en 0,566 V, respectievelijk. De variatiecoëfficiënt is lager voor het set-proces, wat betere uniformiteit weerspiegelt. De AN/UIT-verhouding overschrijdt 300 (Fig. 2c), wat een robuust weerstandsvenster demonstreert.

a DC-sweep onthullende bipolaire weerstandsschakeling. b Verdeling van set- en reset-spanningen over 200 cycli. c AN/UIT-verhouding en weerstandsstatistieken bij 0,1 V lezen.

Het toepassen van opeenvolgende spanningsspulses moduleert de apparaatgeleiding op een gecontroleerde manier. Met 200 positieve pulsen (0,8 V, 20 ms) gevolgd door 200 negatieve pulsen (−0,5 V, 20 ms), neemt de geleiding progressief toe (LTP) en af (LTD) (Fig. 3a), wat lange-termijn plasticiteit illustreert. Na pulsenreeksen ontspant de post-synapticke stroom (PSC) naar een intermediaire staat, wat biologische vergeetachtigheid naboots (Fig. 3b). De verval past bij de Kohlrausch-functie: I(t)=I0+A exp(−t/τ) met τ = 57 s, wat de vergeet-tijdconstante kwantificeert.

a Graduele geleidingsveranderingen onder LTP/LTD programmering. b PSC-verval na 100 pulsen, gefit aan het Kohlrausch-model.

Het onderliggende mechanisme betreft Ag-ionmigratie die geleidende filamenten (CF) vormt. Positieve bias oxideert Ag naar Ag+, wat migreert en reduceert aan de bodemelektrode, het CF verdikt (statussen I–III) en de geleiding verhoogt. Negatieve bias breekt het filament, wat de geleiding verlaagt (statussen d–f) (Fig. 4). Deze reversibele CF-dynamica vormt de basis van de waargenomen LTP/LTD.

a–c CF-groei tijdens opeenvolgende positieve pulsen (LTP). d–f CF-breuk tijdens opeenvolgende negatieve pulsen (LTD).

Korte-termijn plasticiteit wordt bewezen door gepaarde-puls facilitatie (PPF) en depressie (PPD). Een 2 V, 10 ms paar met een 60 ms interval versterkt de tweede PSC (PPF), terwijl een −1,5 V paar het onderdrukt (PPD) (Fig. 5). Deze gedragingen spiegelen de synaptische temporele filtering waargenomen in de biologie.

a PPF geïnduceerd door een paar positieve pulsen. b PPD geïnduceerd door een paar negatieve pulsen.

Retentietests over 1000 s bevestigen stabiele post-synapticke stromen in zowel excitatieve (positieve) als inhibitieve (negatieve) staten (Fig. 6), wat het potentieel van het apparaat voor lange-termijn geheugenopslag benadrukt.

a Lange-termijn retentie na een positieve puls. b Stabiliteit na een negatieve puls over 1000 s.

Conclusies

We hebben een PET/ITO/HZO/Ag flexibele memristor gedemonstreerd, geproduceerd door laag-temperatuur ALD, die betrouwbare bipolaire schakeling en een uitgebreide set synaptische plasticiteitsfenomenen vertoont—LTP, LTD, PPF, PPD, en vergeetachtigheid. De graduele geleidingsmodulatie ontstaat uit controleerbare Ag-ion geleidende filamenten. Dit apparaat vormt een haalbare bouwsteen voor schaalbare, flexibele neuromorfische hardware capabel van gelijktijdig leren en geheugen.

Afkortingen

ALD

Atomaire laagafzetting

HRS

Hoge-weerstandsstaat

LRS

Lage-weerstandsstaat

LTD

Lange-termijn depressie

LTP

Lange-termijn potentiëring

STP

Korte-termijn plasticiteit