Design a memtransistor with sensing ability: enhanced capability in neuromorphic engineering

Abstract

Neuromorphic engineering is a promising field that aims to emulate the functionalities of the mammalian brain utilizing systems containing analog integrated circuits. It surges as a fitting alternative to the contemporary computer, as the world enters the age of artificial intelligence and big data, two areas that value rapid information processing and self-learning software. The first element in neuromorphic engineering should be able to mimic the elemental processing and memory unit of the brain: the synapse. Transistors, memristors, and, recently, memtransistors are considered the main candidates to fulfill this role. In this work, the photonic properties of an amorphous Indium gallium zinc oxide (IGZO) Thin-film transistor (TFT), are studied, Due to the well-known Negative bias illumination stress (NBIS), the TFT presents the attributes to be able to emulate synaptic behavior. It is studied how the effect can be enhanced in regards to the doping concentration, Density of states (DOS), particularly the tail-states, and the thickness of the a-IGZO film. The doping concentration can be correlated to the oxygen vacancies in the a-IGZO film, which are known to play an important role in the NBIS instability. The role of the thickness and the DOS on the photoresponse is also explored since they may also be important, but their role is relatively undocumented. this process is executed utilizing a TCAD environment, where several simulations are performed to assess how the various combinations of the parameters in the study affect the optical and neuromorphic properties of the TFT. Next, an experimental a-IGZO TFT fabricated with the same materials and having the same structure is electrically and optically characterized in the laboratories at CEMOP. Finally, the simulated and experimental results are compared, and it is discussed how the findings can be translated to other oxide-based neuromorphic devices.

A engenharia neuromórfica é um campo promissor que visa emular as funcionalidades do cérebro de mamíferos utilizando sistemas incorporando circuitos integrados analógicos. Surge como uma potencial alternativa ao computador contemporâneo, numa altura em que o mundo entra na era da inteligência artificial e do big data, duas áreas que valorizam a computação rápida de informações e o software de autoaprendizagem. O elemento básico na engenharia neuromórfica deve ser capaz de imitar o processamento e memória da unidade elementar do cérebro: a sinapse. Transistores, memristores e, recentemente, memtransistores são considerados os principais candidatos a desempenhar essa função. Neste trabalho, são estudadas as propriedades fotônicas de um TFT de IGZO amorfo. Devido à conhecidoã instabilidade NBIS, o TFT apresenta os atributos para poder emular o comportamento sináptico. É estudado como o efeito pode ser potencializado em relação à concentração de dopagem, da densidade de estados, particularmente os estados finais, e a espessura da camada de a-IGZO. A concentração de dopagem pode ser correlacionada a vagas de oxigénio no presentes na camada de a-IGZO, que são conhecidas por desempenhar um papel importante na NBIS. O papel da espessura e da densidade de estados na resposta à ilumincação também é explorado, uma vez que também podem ser importantes, visto que a sua influência não foi ainda muito documentada. Este processo é executado utilizando um ambiente TCAD, onde várias simulações são realizadas para avaliar como as várias combinações dos parâmetros em estudo afetam as propriedades ópticas e neuromórficas do TFT. Em seguida, um TFT de a-IGZO, fabricado com os mesmos materiais e com a mesma estrutura, é caracterizado elétrica e opticamente nos laboratórios do CEMOP. Finalmente, os resultados simulados e experimentais são comparados e é discutido como os resultados podem ser traduzidos para outros dispositivos neuromórficos baseados em óxidos.