Enhanced Ferroelectricity of Hf‐Based Memcapacitors by Adopting Ti Insert‐Layer and C–V Measurement for Constructing Energy‐Efficient Reservoir Computing Network

材料科学 铁电性 图层(电子) 插入(复合材料) 能量(信号处理) 工程物理 纳米技术 光电子学 复合材料 工程类 电介质 物理 量子力学
作者
Bo Chen,Yifang Wu,Yizhi Liu,Xiaopeng Li,Lu Tai,Pengpeng Sang,Jixuan Wu,Xuepeng Zhan,Jiezhi Chen
出处
期刊:Advanced electronic materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aelm.202400395
摘要

Abstract Hf‐based ferroelectric memcapacitors only consume dynamic power with the merits of reliable nonvolatile storage and Si‐process compatibility, which is an outstanding artificial synapse for constructing energy‐efficient neuromorphic computing networks. In this paper, the ferroelectricity of Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO) memcapacitor is improved by the co‐optimization of process design and electrical measurement with various thicknesses of the Ti insertion layer and conditions of Capacitor–Voltage (C–V) tests. Material characterization indicates the Ti insertion layer reduces the m ‐phase and increases the ratio of the o ‐phase in HZO film. The wake‐up‐free behaviors are achieved in the Ti insertion layer memcapacitors with an endurance of ≈10 9 cycles. Furthermore, ferroelectric properties are further enhanced after C–V measurement with the 1nm‐thick Ti insertion layer showing the largest remanent polarization (2Pr≈41.02 µC cm −2 ). Subsequently, a full hardware‐implemented hierarchical parallel reservoir computing (RC) network is constructed using 34 HZO memcapacitive synapses. The proposed network achieves high recognition accuracy (≈96.10%) and low dynamic power consumption (≈0.15 fJ per input) with the MNIST dataset. These findings indicate the feasibility of developing a highly energy‐efficient, fully hardware‐implemented, hierarchical parallel RC neural network.

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