Filamentary and Interface-Type Memristors Based on Tantalum Oxide for Energy-Efficient Neuromorphic Hardware

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作者
Minjae Kim,Malik Abdul Rehman,Donghyun Lee,Yue Wang,Dong‐Hyeok Lim,Muhammad Farooq Khan,Haryeong Choi,Qing Shao,Joonki Suh,Hong‐Sub Lee,Hyung‐Ho Park
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (39): 44561-44571 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acsami.2c12296
摘要

To implement artificial neural networks (ANNs) based on memristor devices, it is essential to secure the linearity and symmetry in weight update characteristics of the memristor, and reliability in the cycle-to-cycle and device-to-device variations. This study experimentally demonstrated and compared the filamentary and interface-type resistive switching (RS) behaviors of tantalum oxide (Ta2O5 and TaO2)-based devices grown by atomic layer deposition (ALD) to propose a suitable RS type in terms of reliability and weight update characteristics. Although Ta2O5 is a strong candidate for memristor, the filament-type RS behavior of Ta2O5 does not fit well with ANNs demanding analog memory characteristics. Therefore, this study newly designed an interface-type TaO2 memristor and compared it to a filament type of Ta2O5 memristor to secure the weight update characteristics and reliability. The TaO2-based interface-type memristor exhibited gradual RS characteristics and area dependency in both high- and low-resistance states. In addition, compared to the filamentary memristor, the RS behaviors of the TaO2-based interface-type device exhibited higher suitability for the neuromorphic, symmetric, and linear long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). These findings suggest better types of memristors for implementing ionic memristor-based ANNs among the two types of RS mechanisms.
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