Artificial Synapses based on the Photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 QuantumWells

Abstract

Al llarg dels últims anys, hi ha hagut un interès creixent en sistemes que, inspirats pels descobriments en neurobiologia, processen la informació sobre la base de xarxes neuronals on la plasticitat sinàptica és l'element nuclear per a desenvolupar càlculs o fins i tot per a emmagatzematge d'informació. En aquest domini de recerca, que comprèn la computació neuromòrfica, un dels objectius és replicar aspectes bàsics de tasques cognitives complexes mitjançant l'emulació de xarxes neuronals i sinapsis artificials, amb l'objectiu de superar el paradigma computacional basat en l'arquitectura de von Neumann. En aquesta Tesi, s'han investigat les propietats òptiques de les interfícies entre els materials LaAlO3 i SrTiO3, havent-se trobat que en aquests sistemes la fotoconductància observada pot explotar-se per a desenvolupar sinapsis òptiques artificials. En particular, s'ha descobert que la conductància d'aquestes interfícies pot augmentar o disminuir plàsticament, en resposta a polsos òptics de diferents longituds d'ona. La foto-resposta observada depèn de l'ordre d'arribada d'estímuls òptics de diferents longituds d'ona, i aplana el camí per a la implementació de plasticitat sinàptica i, més específicament, del fenomen STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) estimulat per impulsos òptics. En la Tesi es discuteix l'origen de la foto-resposta observada i es conclou que és causada per dos processos de fotoexcitació, és a dir, l'excitació d'electrons situats en estats electrònics originats per defectes relacionats amb centres de tipus DX i, paral·lelament, la fotoexcitació a estats superficials a través d'efecte túnel quàntic. Com s'ha esmentat més amunt, es mostra que aquesta foto-resposta es pot adaptar per aconseguir STDP, usant la conductància de pous quàntics epitaxials de LaAlO3 / SrTiO3 com sinapsis òptiques. La possibilitat d'explotar la fotoconductància de LaAlO3 / SrTiO3 per a emular algunes tasques cognitives bàsiques també s'explora en la Tesi. S'analitza també la fotoconductància de interfícies amorfes de LaAlO3 / SrTiO3, on la conductància és sensible a condicions d'il·luminació en entorns ben il·luminats. S'inclou una discussió sobre la perspectiva de fer servir la fotoconductància dels pous quàntics de LaAlO3 / SrTiO3 per a aplicacions en visió neuromòrfica

A lo largo de los últimos años, ha habido un interés creciente en sistemas que, inspirados por los descubrimientos en neurobiología, procesan la información en base a redes neuronales donde la plasticidad sináptica es el elemento nuclear para desarrollar cálculos o incluso para almacenamiento de información. En este dominio de investigación, que comprende la computación neuromórfica, uno de los objetivos es replicar aspectos básicos de tareas cognitivas complejas mediante la emulación de redes neuronales y sinapsis artificiales, con el objetivo de superar el paradigma computacional basada en la arquitectura de von Neumann. En esta Tesis, se han investigado las propiedades ópticas de las intercaras entre los materiales LaAlO3 y SrTiO3, habiéndose hallado que en estos sistemas la fotoconductancia observada puede explotarse para desarrollar sinapsis ópticas artificiales. En particular, se ha descubierto que la conductancia de estas intercaras puede aumentar o disminuir plásticamente, en respuesta a pulsos ópticos de diferentes longitudes de onda. La foto-respuesta observada depende del orden de llegada de estímulos ópticos de diferentes longitudes de onda, y allana el camino para la implementación de plasticidad sináptica y, más específicamente, del fenómeno STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) estimulado por impulsos ópticos. En la Tesis se discute el origen de la foto-respuesta observada y se concluye que es causada por dos procesos de fotoexcitación, a saber, la excitación de electrones ubicados en estados electrónicos originados por defectos relacionados con centros de tipo DX y, paralelamente, la fotoexcitación a estados superficiales a través de efecto túnel cuántico. Como se ha mencionado más arriba, se muestra que esta foto-respuesta se puede adaptar para lograr STDP, usando la conductancia de pozos cuánticos epitaxiales de LaAlO3 / SrTiO3 como sinapsis ópticas. La posibilidad de explotar la fotoconductancia de LaAlO3 / SrTiO3 para emular algunas tareas cognitivas básicas también se explora en la Tesis. Se analiza también la fotoconductancia de intercaras amorfas de LaAlO3 / SrTiO3, donde la conductancia es sensible a condiciones de iluminación en entornos bien iluminados. Se incluye una discusión sobre la perspectiva de usar la fotoconductancia de los pozos cuánticos de LaAlO3 / SrTiO3 para aplicaciones en visión neuromórfica.

Recently, inspired by neurobiology, researchers have investigated systems that process information based on spiking neural networks where synaptic plasticity is the kernel of calculation, communication, or even storage of information. In this area, neuromorphic computing is proposed to cope with complex cognitional tasks through emulating spiking neural networks consisting of artificial synapses, aiming at overcoming the von Neumann bottleneck in conventional computational paradigms. In this Thesis, we have investigated the optical properties of the LaAlO3/SrTiO3 interfaces, which can be exploited as artificial optical synapses due to their persistent photoconductance. In particular, we find that the conductance of these interfaces can be increased or decreased plastically depending on the time order of arrival of optical pulses of different wavelengths. The observed plastic photoresponse, which depends on the order of time arrival of optical stimuli, paves the way to the implementation of spike-timing dependent plasticity (STDP) using light as external stimulus.

In the Thesis we discuss the origin of the observed wavelength-dependent time-correlated photoresponse in epitaxial LaAlO3/SrTiO3 quantum wells. We conclude that the photoresponse involves two photoexcitation processes, namely, the excitation of electrons located at defect-related DX centers and the photoexcitation to surface states via quantum tunneling. As aforementioned, it is shown that this photoresponse can be adapted to achieve STDP, using the conductance of epitaxial LaAlO3/SrTiO3 quantum wells as optical synapses. The possibility of exploiting the photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 to emulate some basic cognitive tasks is also explored. Additionally, we have explored the photoconductance of amorphous LaAlO3/SrTiO3 interfaces, where the conductance is sensitive to illumination conditions in well-lighted environments. We include a discussion about the perspective of using the persistence photoconductance of LaAlO3/SrTiO3 quantum wells to applications in neuromorphic vision.