Ultrathin HfO2/Al2O3 bilayer based reliable 1T1R RRAM electronic synapses with low power consumption for neuromorphic computing

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作者
Qiang Wang,Yankun Wang,Ren Luo,Jianjian Wang,Lanlong Ji,Zhuangde Jiang,Christian Wenger,Zhitang Song,Sannian Song,Wei Ren,Jinshun Bi,Gang Niu
出处
期刊:Neuromorphic computing and engineering [IOP Publishing]
卷期号:2 (4): 044012-044012 被引量:9
标识
DOI:10.1088/2634-4386/aca179
摘要

Abstract Neuromorphic computing requires highly reliable and low power consumption electronic synapses. Complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible HfO 2 based memristors are a strong candidate despite of challenges like non-optimized material engineering and device structures. We report here CMOS integrated 1-transistor-1-resistor (1T1R) electronic synapses with ultrathin HfO 2 /Al 2 O 3 bilayer stacks (<5.5 nm) with high-performances. The layer thicknesses were optimized using statistically extensive electrical studies and the optimized HfO 2 (3 nm)/ Al 2 O 3 (1.5 nm) sample shows the high reliability of 600 DC cycles, the low Set voltage of ∼0.15 V and the low operation current of ∼6 µ A. Electron transport mechanisms under cycling operation of single-layer HfO 2 and bilayer HfO 2 /Al 2 O 3 samples were compared, and it turned out that the inserted thin Al 2 O 3 layer results in stable ionic conduction. Compared to the single layer HfO 2 stack with almost the same thickness, the superiorities of HfO 2 /Al 2 O 3 1T1R resistive random access memory (RRAM) devices in electronic synapse were thoroughly clarified, such as better DC analog switching and continuous conductance distribution in a larger regulated range (0–700 µ S). Using the proposed bilayer HfO 2 /Al 2 O 3 devices, a recognition accuracy of 95.6% of MNIST dataset was achieved. These results highlight the promising role of the ultrathin HfO 2 /Al 2 O 3 bilayer RRAM devices in the application of high-performance neuromorphic computing.
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