原子层沉积基于 Hf0.5Zr0.5O2 的具有短/长期突触可塑性的柔性忆阻器

背景

经典的冯诺依曼计算方案在处理中心和存储单元之间存在信息传输瓶颈[1]。通过模拟生物大脑，神经形态计算已成为具有在一个单一系统中学习和记忆能力的有吸引力的候选者 [2, 3]。具有模仿生物突触行为能力的电子突触是神经形态系统的基础。最近，生物突触行为已被各种忆阻器模拟，包括两端器件和基于离子缺陷的新型三端突触晶体管 [4, 5]。据报道，忆阻器具有历史依赖性电导，可模拟长期抑制 (LTD) 或增强 (LTP)、成对脉冲波动 (PPF)、成对脉冲抑制 (PPD) 和尖峰时间依赖性可塑性 (STDP) ) [6,7,8]。特别是，LTP/LTD 对于基于突触权重修改的人脸分类、数字识别和其他人工智能应用至关重要 [9,10,11]。 STP起源于即时突触后电流响应，广泛用于信息过滤和瞬时信号传输[12]。

对具有生物突触可塑性的人工突触的各种材料系统进行了研究，包括 HfO2、ZnO、WOx、TaOx、InGaZnO、有机聚合物和二维过渡金属二硫属化物 (TMDC) [13,14,15,16,17, 18,19]。其中，Hf0.5Zr0.5O2（HZO）是一种新型的高k材料，与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容[20]。尽管已经报道了基于HZO的人工突触装置，但高温制备过程难以避免[21,22,23]。

另一方面，灵活的人工突触设备被广泛研究，以满足对可穿戴人工智能应用不断增长的需求 [24, 25]。然而，高温制备过程阻碍了柔性基板的应用。尽管提出了转移工艺来解决该问题，但转移引起的高故障率和皱纹缺陷阻碍了该方法的大规模使用[26, 27]。值得注意的是，低温处理对柔性基板无损伤，是开发大规模可穿戴突触阵列的有效途径。

在这项工作中，开发了一种用于 HZO 基忆阻器 (PET/ITO/HZO/Ag) 的低温 ALD 技术。在该忆阻器中演示了逐渐电导切换过程。基于渐进电阻切换特性，模拟了典型的突触可塑性，包括 LTP/LTD、STP、PPF 和遗忘曲线。具有生物突触功能的柔性HZO忆阻器对未来在神经形态计算系统中的应用具有吸引力。

方法

柔性突触装置在 ITO 涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基板上制备，该基板在丙酮、异丙醇和去离子水中清洗并通过 N2 流干燥。 10 nm 厚的 HZO 薄膜通过 ALD 与 N2 载气沉积在 PET/ITO 基板上。前体是四（乙基甲基氨基）铪（TEMAH）、四（乙基甲基氨基）锆（TEMAZ）和H2O，ALD室的生长温度保持在130 °C。然后，面积为 100 × 100 μm ² 的 50-nm Ag 顶部电极 (TE) 层 通过物理气相沉积（PVD），然后是光刻和剥离工艺沉积。 PET/ITO/HZO/Ag的结构如图1所示，Ag上电极和ITO下电极分别对应生物突触中的突触前和突触后神经元。

神经元和人工电突触之间的生物突触示意图。生物突触由突触前神经元、突触间隙和突触后神经元组成。在塑料衬底上低温制备了ITO/HZO/Ag结构的HZO基柔性电突触

电气特性使用半导体参数分析仪（Agilent B1500A）在室温大气环境中进行。底部电极接地，顶部电极施加编程偏压。

结果与讨论

图 2a 显示了忆阻器的典型双极电阻切换曲线，电流顺应性为 500 uA。设定过程中，扫描电压按0 → 2 V → 0 V的顺序施加，电阻由高阻态（HRS）变为低阻态（LRS）。相比之下，负电压从 0 V 施加到 - 2 V 并返回到 0 V 以进行复位过程。正负偏置扫描的逐渐切换特性表明基于 HZO 的忆阻器模拟突触行为的潜力。连续扫描周期内设置和复位过程中工作电压的累积概率如图2所示。设置电压和复位电压的均值(μ)分别为0. 99 V和 − 1. 33 V，即显示工作电压的平均水平。工作电压的标准偏差 (σ)（置位过程为 0.245，复位过程为 0.566）表示偏离中心的程度。数据的相对波动可以描述为方差系数（σ/μ）。在设置过程中获得了优异的均匀性，而 HRS 电阻和复位电压的变化显着，这可能归因于 Ag 原子导电细丝 (CF) 的形成和断裂过程。在设置操作的过程中，CF 的大小或数量会增加。设备的当前水平几乎与 CF 的增量成线性比例。在复位过程中，CF 会断裂并减少。而当前的设备水平与 CF 的断裂长度呈指数关系 [28]。复位过程中 CF 的微小变化可能导致电阻和复位电压的明显变化。 HZO基器件中μ的ON/OFF比大于300，如图2c所示。

一 通过直流扫描测量的基于 HZO 的器件的电阻开关特性。 b 从柔性器件中的 DC 扫描周期中提取的设置和复位电压的分布。 c HRS和LRS的统计数据，其中电阻是在0.1 V的读取电压下测得的

除了直流扫描中的逐渐电阻切换行为外，具有调制电导的设备可以通过一系列连续脉冲进行编程。如图 3a 所示，可以通过 400 个连续的编程脉冲逐渐调节电导以模拟 LTP 和 LTD，这表明突触装置用于神经形态计算的潜力。随着200个连续的正脉冲（0 .8V，20 ms）和200个负脉冲（- 0 .5V，20 ms），突触装置的电导逐渐增强和减弱。在每个连续脉冲后，在 0.1 V 的读取电压下获得电导状态。遗忘是人类大脑中常见的现象之一，可以通过电突触中突触后电流的松弛来模拟。在一系列脉冲之后，突触后电流 (PSC) 随时间衰减并转变为中间状态，如图 3b 所示。遗忘曲线可以用心理学中常用的Kohlrausch方程拟合：

其中 I(t) 是 t 时刻的 PSC , 我 0 为稳定电流，A 为前置因子，τ 是弛豫时间常数。在人工突触装置中，常数 τ 是57 s，用于评估遗忘特征。

一 人工柔性突触中 LTP 和 LTD 的逐渐电导调制，其中突触后电流在读取电压为 0.1 V 时获得。b 100个连续编程脉冲（1 V，50 ms）后的遗忘行为和电突触的拟合曲线

为了更好地理解基于 HZO 的突触装置的工作机制，不同状态的导电细丝 (CF) 如图 4 所示。CFs 的形成和破裂是由于 Ag 原子的迁移和移动的 Ag ⁺ .当对上电极施加正编程刺激时，上电极的原子被氧化成Ag ⁺ ，它们在底部电极中积累并还原为 Ag 原子。在图 4a-c 中，CF 的厚度和直径从状态 I 到状态 III 略有增加，这导致电导增加 [29]。相比之下，在忆阻器中施加一系列负尖峰后，Ag 原子桥破裂，对电导的影响很小，如图 4d-f 所示。这种基于HZO的人工突触装置中典型的LTP和LTD行为分别由CF逐渐形成和破裂组织而成。

一 –c LTP中连续正脉冲下形成Ag阳离子导电通路的示意图。 d –f LTD连续负脉冲后导电丝断裂

短期突触可塑性对兴奋性和抑制性生物突触都至关重要，这被认为在时间信息的处理中起着重要作用 [30, 31]。 PPF 和 PPD 行为是典型的短期现象，由两个连续的短间隔突触尖峰组织而成。在我们基于 HZO 的灵活突触装置中也成功地模仿了这种可塑性。 PPF 函数是由一对间隔为 60 ms 的尖峰（2 V，10 ms）触发的突触权重的短期增强，如图 5a 所示。相比之下，第二个尖峰的响应电流小于前一个尖峰的响应电流，这被描述为 PPD 并由两个间隔为 60 ms 的负脉冲 (− 1 .5V, 10 ms) 模拟。

一 由一对突触前尖峰（2 V，10 ms）诱导的典型 PPF 行为。 b 抑制尖峰(− 1 .5V, 10 ms)下人工柔性突触的PPD现象

为了证明我们的突触装置长期可塑性的可靠性，我们测量了超过 1000 s 的保留特性。如图 6 所示，在单个突触前尖峰之后，在 0.1 V 的偏置下读取处于兴奋和抑制状态的 PSC。我们基于 HZO 的设备的长期保留行为显示了存储潜力，连续调制电导为记忆功能铺平了道路，可以集成到系统中。

一 正编程脉冲下电突触的保留特性，表明其长期潜在行为。 b 在LTD过程中，突触后电流可以在单个负脉冲（- 0 .5V，20 ms）下被抑制，并且电导状态可以保持稳定超过1000 s

结论

总之，提出了一种基于低温 ALD 的灵活的基于 HZO 的人工突触装置。这种柔性忆阻器展示了典型的双极电阻开关特性。通过在顶部电极上施加连续脉冲，电突触模拟了长期可塑性和短期可塑性，包括 LTP、LTD、PPF、PPD 和遗忘行为。逐渐调制的电导可归因于可控的银离子导电灯丝路径。柔性电突触成为神经形态电路硬件实现的有前景的候选者之一。

缩写

ALD：

原子层沉积

HRS：

高阻态

LRS：

低阻态

LTD：

长期抑郁

LTP：

长效增强

STP：

短期可塑性