用于人工突触的具有高度线性权重更新的非晶氧化铒 (Er2O3) 忆阻器

《ACS Applied Electronic Materials》：Amorphous Erbium Oxide (Er2O3) Memristors with Highly Linear Weight Updates for Artificial Synapses

　　

摘要

具有多级电导状态的模拟忆阻器对于可扩展的神经形态计算至关重要，但实现具有明确定义电导状态的线性且对称的 SET/RESET 开关特性仍然是一个主要挑战。在此，我们报道了一种基于非晶氧化铒（Er₂O₃）的忆阻器，它通过稳定的低压双极性模拟电阻开关、高度线性的突触权重更新以及生物现实的可塑性模拟来解决这一挑战。Au/Er₂O₃/FTO 忆阻器表现出更渐进的电阻开关特性，具有极低的 SET 和 RESET 电压，分别为 -0.49 V 和 0.54 V，同时保持低循环间和设备间变异性，超过 10⁴ 次开关循环的强劲耐久性以及大约 50 ns 的快速开关速度。基于物理的电热模拟显示，模拟开关行为源于空间分布的氧空位迁移和非晶氧化物基质内导电细丝的逐渐形成和断裂，这些共同抑制了随机变异性。该忆阻器进一步展示了优异的突触可塑性，具有较低的长时程增强（NL_P = 0.74）和长时程抑制（NL_D = 0.47）非线性因子，约 89% 的高对称性，9.2 和 6.5 的大动态电导窗口，以及近 91.4% 的有效电导状态利用率。此外，在人工神经网络和卷积神经网络实现中的系统级评估分别对 MNIST 和 CIFAR-10 数据集产生了约 95% 和 89% 的推理准确率，证实了 Er₂O₃ 忆阻器作为突触元件的适用性。这些结果确立了非晶 Er₂O₃ 作为下一代模拟存储和大规模神经形态计算系统中有前景的电阻开关材料。