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Engineering of TiN/ZnO/SnO2/ZnO/Pt multilayer memristor with advanced electronic synapses and analog switching for neuromorphic computing

神经形态工程学 记忆电阻器 材料科学 峰值时间相关塑性 光电子学 电子工程 长时程增强 计算机科学 人工神经网络 工程类 化学 人工智能 生物化学 受体
作者
Muhammad Ismail,Sunghun Kim,Maria Rasheed,Chandreswar Mahata,Myounggon Kang,Sungjun Kim
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier]
卷期号:1003: 175411-175411 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2024.175411
摘要

The two-terminal memristor is a promising neuromorphic artificial electronic device, mirroring biological synapses in structure and replicating various synaptic functions. Despite its advantages, challenges in achieving high reliability, gradual switching, and low energy consumption hinder progress in neuromorphic devices. This study explores electronic synapses and simulates analog switching in a Pt/TiN/ZnO/SnO2/ZnO/Pt multilayer (ML) configuration, featuring a ~3 nm SnO2 layer between ZnO layers. Results show enhanced cycling endurance (more than 250 cycles), resistance window (102), tunable synaptic plasticity, and multilevel switching. ML memristors exhibit low coefficient of variation (4.5%) in set voltage, low energy consumption (set = ~0.12 nj, reset = ~0.1 nj), and fast switching speeds (set = 300 ns, reset = 200 ns), suitable for high-density memory and neuromorphic systems. They successfully emulate synaptic functions, including paired-pulse facilitation (PPF), spike voltage-dependent plasticity (SVDP), spike width-dependent plasticity (SWDP), spike frequency-dependent plasticity (SFDP), and post-tetanic potentiation (PTP). Modulating pulse amplitude and width achieves multilevel conductance in long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). Using nonlinear conductance data, a 96.5% image pattern recognition accuracy is achieved in a deconvolution neural network (DNN) simulation. These results highlight the ML memristor's potential in efficient neuromorphic computing systems.
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