Ultra-low power Hf0.5Zr0.5O2 based ferroelectric tunnel junction synapses for hardware neural network applications

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作者
Lin Chen,Tianyu Wang,Yawei Dai,Ming‐Yang Cha,Hao Zhu,Qingqing Sun,Shi‐Jin Ding,Peng Zhou,Leon O. Chua,David Wei Zhang
出处
期刊:Nanoscale [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (33): 15826-15833 被引量:189
标识
DOI:10.1039/c8nr04734k
摘要

Brain-inspired neuromorphic computing has shown great promise beyond the conventional Boolean logic. Nanoscale electronic synapses, which have stringent demands for integration density, dynamic range, energy consumption, etc., are key computational elements of the brain-inspired neuromorphic system. Ferroelectric tunneling junctions have been shown to be ideal candidates to realize the functions of electronic synapses due to their ultra-low energy consumption and the nature of ferroelectric tunneling. Here, we report a new electronic synapse based on a three-dimensional vertical Hf0.5Zr0.5O2-based ferroelectric tunneling junction that meets the full functions of biological synapses. The fabricated three-dimensional vertical ferroelectric tunneling junction synapse (FTJS) exhibits high integration density and excellent performances, such as analog-like conductance transition under a training scheme, low energy consumption of synaptic weight update (1.8 pJ per spike) and good repeatability (>103 cycles). In addition, the implementation of pattern training in hardware with strong tolerance to input faults and variations is also illustrated in the 3D vertical FTJS array. Furthermore, pattern classification and recognition are achieved, and these results demonstrate that the Hf0.5Zr0.5O2-based FTJS has high potential to be an ideal electronic component for neuromorphic system applications.
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