Solution-based Metal Oxide Semiconductor Memristor

Abstract

Solution-based memristors have shown a great potential to fulfill several requirements of the Internet of Things (IoT) such as, high density and ultra-low power devices by using low-cost and simple fabrication methods. In this work, solution-processed indium-gallium-zinc oxide (IGZO) thin films are produced using a combustion synthesis process. To improve their performance in memristor devices different parameters are studied: the variation of molar proportion, number of deposited layers and annealing temperature. Memristors with higher number of layers and annealing temperatures show low operating voltage, good endurance, great yield, and retention up to 105 s in air environment conditions. The best condition reached was IGZO (1:3:1) memristor with 7 deposited layers annealed at 300 ºC. These devices can be programmed in a multi-level cell operation mode, up to 8 different resistive states. Furthermore, the same devices show promising features for neuromorphic computing applications since they can emulate the plasticity of a synaptic junction by replicating potentiation and depression. The results achieved are quite promising and even in some cases surpass the current state of the art.

Memristores baseados em processos de solução têm demonstrado um grande potencial para cumprir requisitos da Internet das Coisas (IoT), como dispositivos de elevada densidade e ultrabaixo consumo de energia aliado a métodos de fabrico simples e de baixo custo. Neste trabalho, filmes finos de óxido de índio-gálio-zinco (IGZO) são produzidos através do processo de síntese por combustão. Para melhorar o desempenho dos filmes de IGZO em memristores, são estudados diferentes parâmetros: a variação da proporção molar, o número de camadas depositadas e a temperatura de recozimento. Os memristores com maior número de camadas recozidas à temperatura mais elevada apresentam baixa tensão de operação, boa resistência, ótimo rendimento e retenção de até 105 s à temperatura ambiente. A melhor condição alcançada foi um memristor IGZO (1:3:1) com 7 camadas depositadas recozidas a 300 ºC. Estes dispositivos podem ser programados num em modo de operação multinível até 8 estados resistivos diferentes. Além disso, os mesmos dispositivos apresentam características promissoras para aplicações de computação neuromórfica, uma vez que conseguem emular a plasticidade de uma junção sináptica, ao replicar a potenciação e depressão de uma sinapse. Os resultados alcançados são bastante promissores e mesmo em alguns casos superam o atual estado da arte.