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Neuromorphic Synapses with High Switching Uniformity and Multilevel Memory Storage Enabled through a Hf-Al-O Alloy for Artificial Intelligence

神经形态工程学 记忆电阻器 光电子学 材料科学 电阻随机存取存储器 人工神经网络 人工智能 计算机科学 电压 纳米技术 电子工程 电气工程 工程类
作者
Muhammad Ismail,Chandreswar Mahata,Osung Kwon,Sungjun Kim
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (3): 1288-1300 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acsaelm.2c00023
摘要

Due to their high data-storage capability, oxide-based memristors with controllable conductance properties have attracted great interest in electronic devices for high integration density and neuromorphic synapses. However, high switching uniformity and controllable conductance of memristors during the conversion from a low (ON-state) to a high resistance state (OFF-state) have become essential for their implementation in neural networks. In this study, we fabricate a Pt/HfO2/HfAlOx/TiN memristor incorporating atomic-layer-deposited HfO2/HfAlOx high-k dielectric thin films as the active material to achieve excellent resistive switching performance with negligible parameter dispersion, multilevel conductance, and neuromorphic synapses for artificial intelligence (AI) systems. This two-terminal memristor exhibits a forming-free switching behavior with outstanding direct current endurance cycles (103), a high current ON/OFF ratio of >130, stable retention (104 s), and multilevel ON- and OFF-state, respectively. Also, memristor conductance/resistance could be modulated through current limits in the set-switching and stop voltage during the reset process, which is useful to acquire a trustworthy analogue switching conduct to mimic the biological neuromorphic synapses. The diverse features of synapses, such as potentiation, depression, spike-rate-dependent plasticity, paired-pulsed facilitation, and spike-time-dependent plasticity, are successfully mimicked in the Pt/HfO2/HfAlOx/TiN memristor. Furthermore, the experimental potentiation and depression data are employed for image processing of 28 × 28 pixels comprising 200 synapses. In the Modified National Institute of Standards and Technology database (MNIST), handwritten numbers can be successfully trained to recognize 6000 input images with a training accuracy of about 80%. This Hf-Al-O alloy-based memristor may enable high-density storage memory and realize controllable resistance/weight alteration as a neuromorphic synapse for AI systems.
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