Adv. Mater.:用于时空信息处理的氧化物基电解质栅控晶体管


【研究背景】

与生物神经系统具有很大相似性的脉冲神经网络(SNNs)有望处理时空信息,并能为物联网和边缘计算提供实时和高能效的计算范式。非挥发性电解质栅控晶体管(EGTs)具有突出的模拟开关性能(突触器件最关键的特性),最近被证明是一种很有前途的突触器件。然而高性能的、大规模的EGT阵列以及EGT在SNN中用于时空信息处理的应用仍需要进一步的验证。

【成果简介】

近日,中国科学院微电子研究所博士生李悦、卢吉凯和尚大山研究员介绍了一种以非晶态Nb2O5和LixSiO2分别为沟道材料和电解质栅材料的氧化物基EGT,并集成到32×32 EGT阵列中。这种EGT器件表现出准线性的模拟开关特性、良好的耐受性(106)和保持性、高开关速度的100 ns、超低读出电导(< 100 nS)以及超低操作能耗密度(20 fJ μm-2)。这种优异的模拟开关性能可用于具有时空信息处理能力的SNN硬件实现,使具有不同时序的尖峰序列能够被EGT阵列有效地学习和识别。最后,这种基于EGT的时空信息处理被用于检测触觉传感系统中的移动方向。这些结果表明基于氧化物的EGT器件可用于高能效的神经形态计算以支持物端应用。该文章近日以题为“OxideBased ElectrolyteGated Transistors for Spatiotemporal Information Processing”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、EGT的结构和开关机理

(a)32×32 EGT阵列的示意图,在图中标记了漏极、栅极和源极线。

(b)制备的EGT阵列的图像(左)和单个EGT单元的放大图像(右)。

(c)EGT的示意图以及(b)中沿黑色虚线的横截面的TEM。

(d)在不同的扫描速率下的转移曲线(Id-Vg)。

(e)存储窗口(红色)和0 V时的开/关比(蓝色)随Vg扫描速率的变化。

(f)在不同的扫描速率下的栅极漏电流曲线(Ig-Vg)。

(g)基于α-Nb2O5的EGT的动力学分析。

(h)从LixSiO2电解质到α-Nb2O5沟道的Li+在初始、经历正栅压和负栅压后的深度分布,表明Li+嵌入到α-Nb2O5沟道层中。

图二、模拟开关性能

(a)由+3.6/-3.4 V和10 ms宽度的Vg脉冲诱导的具有32个离散状态的沟道电导开关100个周期。

(b)EGT器件的保留性能。

(c)对周期开关特性进行非线性分析,得到沟道电导增加和减少的非线性因子的均值较小,分别为:ν= 0.6和ν= 1.58。

(d)沟道电导增加(上)和减少(下)时的累积分布函数图。

(e)沟道电导增加(红色)和减少(蓝色)时的器件间非线性分布。

(f)沟道电导最低电导态(红色)和最高电导态(蓝色)的器件间分布。

图三、高速开关测量和能耗计算

(a)EGT的高速开关测试。重复施加64个电压脉冲循环进行验证。脉冲宽度分别为1 ms,100 µs,1 µs,100 ns和10 ns。插图: 10 ns脉冲宽度时标沟道电导调制放大图。

(b)单次触发沟道电导ΔG的平均变化与脉冲宽度的关系。

(c)最大动态开关能量(Emax)与器件面积A在双对数坐标下的线性比例关系。

图四、基于EGT突触的时空SNN

(a)通过3个EGT突触将3个前神经元与1个后神经元连接的3×1 SNN示意图。

(b)测量了流经每个突触的突触电流(上面三幅图)和模拟的膜电位(Vm)在输入了脉冲序列3-2-1和1-2-3变化,(底部图)。

(c)用于实现STDP的VsVg波形的组合策略。

(d)突触增强(顶部)和抑制(底部)时突触权重的相对变化与Δt的关系。

(e)时空脉冲序列学习过程中的权重变化。

图五、构建触觉传感系统

(a)由5×5人工触觉传感器阵列构成的触摸板以及基于EGT的SNN时空信息处理示意图。

(b)由EGT突触连接的输入神经元和输出神经元组成的SNN架构图,用于时空方位信息识别。

(c)8个输出神经元的膜电位(Vm)与移动方向方位角的关系。不同的脉冲序列代表不同的方向被输入。

【结论展望】

综上所述,作者们成功地制造了一个基于氧化物的EGT阵列。该阵列模拟了具有准线性、低的阻态变化、高耐久性、高速度、低读出电导和低开关能量密度的突触权重模拟调制。突触性能的改善主要体现在三个方面:开关/读取分离操作、高绝缘的非晶态Nb2O5沟道和LixSiO2介质以及稳定的Li+电化学插入/抽取机制。其突出的模拟开关性能被用于时空编码SNN的硬件实现中,证明了EGT阵列具有高效的学习和识别能力。在此基础上,作者们证明这种基于EGT的SNN可用于开发具有移动方位检测能力的触觉感知系统。这些结果表明这种EGT器件可用来作为神经形态计算器件支持边缘计算的应用,如作为物联网交互接口的智能传感系统。

文献链接:Oxide‐Based Electrolyte‐Gated Transistors for Spatiotemporal Information Processing(Adv. Mater.,2020, DOI: 10.1002/adma.202003018)

作者简介:

尚大山,现任中国科学院微电子研究所研究员。 2007年于中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位。2007-2018年在中国科学院物理研究所任副研究员,期间于2011年5月–2012年4月,韩国首尔大学物理与天文系博士后;2013年11月–2014年1月,英国剑桥大学材料科学与冶金系访问学者;2012年7月–2014年2月,德国亚琛工业大学物理系(IA) 洪堡学者。研究领域包括受生物启发的认知记忆与神经形态计算器件、模型、算法以及人工智能感官系统。

相关研究:

1、 C. B. Bu, H. Xu,D. S. Shang,*Y. Li, H. B. Lv, Q. Liu, Ion-gated transistor: An enabler for sensing and computing integration,Adv. Intell. Syst.2000156 (2020)

2、S. Yang,D. S. Shang,*N. Liu, E. J. Fuller, S. Agrawal, A. A. Talin, Y. Q. Li, B. G. Shen, Y. Sun, All-solid-state synaptic transistor with ultralow conductance for neuromorphic computing,Adv. Func. Mater.28, 1804170 (2018)

3、C. S. Yang,D. S. Shang,*N. Liu, G. Shi, X. Shen, R. C. Ru, Y. Q. Li, and Y. Sun, A synaptic transistor based on quasi-2D molybdenum oxide,Adv. Mater.29, 1700906 (2017)

本文由大兵哥供稿。

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