고성능 및 초고성능을 위한 새로운 전자 트랩층을 갖춘 광 시냅스 트랜지스터

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12583(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

광자 시냅스 트랜지스터는 뉴로모픽 컴퓨팅 및 인공 비전 시스템에서의 잠재적 응용을 위해 연구되고 있습니다. 최근에는 채널과 광흡수층으로 이루어진 이중층으로 에너지장벽을 형성하여 전자-정공쌍의 재결합을 방지함으로써 시냅스 효과를 확립하는 방법이 효과적인 결과를 보이고 있다. 우리는 광흡수층과 게이트 절연층 사이에 새로운 전자 포획층을 코팅하여 만든 삼중층 장치를 보고합니다. 기존의 이중층 광 시냅스 구조에 비해 삼중층 소자는 재결합 속도를 크게 줄여 출력 광전류 및 메모리 특성 측면에서 성능이 향상되었습니다. 또한, 우리의 광 시냅스 트랜지스터는 쌍 펄스 촉진(PPF), 단기 강화(STP) 및 장기 강화(LTP)와 같은 우수한 시냅스 특성을 보유하고 있으며 - 0.1mV. 저전력 소비 실험에서는 스파이크당 0.01375fJ의 매우 낮은 에너지 소비를 보여줍니다. 이러한 발견은 미래의 뉴로모픽 장치와 인공 시각 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제시합니다.

전통적인 폰 노이만 방법은 단일 채널을 통해 직렬 및 순차 계산을 수행하기 때문에 순간적으로 생성되고 무작위로 이동하는 대량의 정보를 처리하는 데 적합하지 않습니다. 이러한 전통적인 방법에서는 대량의 데이터를 처리하면 폰 노이만 병목 현상이라고 하는 지연과 오류가 발생하고 상당한 에너지 소비가 발생할 수 있습니다1,2. 따라서 연구자들은 고도로 통합되어 정보를 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 인간의 두뇌에 주목해 왔습니다. 인간 두뇌의 단일 시냅스 이벤트는 약 10 fJ3의 매우 낮은 에너지를 소비합니다. 뇌 모방 및 뉴로모픽 시냅스 장치가 최근 관심을 끌고 있으며, 가소성 특성을 이용한 다양한 저전력 방법이 발표되었습니다4,5.

유기 시냅스 장치는 경량, 대면적 처리, 쉽고 저렴한 제조로 인해 매력적입니다6,7. 일반적으로 게이트가 전위에 의해 변조되는 전압 구동 유기 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하는 장치의 경우 전해질 내부에서 천천히 이동하는 이온을 사용하여 시냅스 특성을 구현합니다. 이러한 특성을 사용하여 다양한 고기능 장치 또는 시스템이 구현되었습니다. 피부 센서를 갖춘 인공 촉각 시스템은 강유전층이나 이온 젤을 사용하여 개발되었습니다. Kim et al. 압력 센서와 이온 젤을 결합하여 인공 구심성 신경을 보고했습니다7.

최근에는 게이트 전압을 이용하여 시냅스 특성을 구현하는 트랜지스터 외에도 광 시냅스 소자가 보고되고 있다6,12,13,14,15. 전압 구동 방식에 비해 광 시냅스 장치는 넓은 대역폭, 빠른 전송 속도 및 낮은 전력 소비를 가질 수 있습니다16. 이러한 광자 시냅스 요소는 인공 시각을 구현할 수도 있습니다. 인간의 눈이 시각 정보를 받으면 망막의 광수용체는 빛을 전기 충격으로 변환하고, 이 전기 충격은 신경을 통해 이미지를 생성하고 저장하는 뇌 영역으로 전달됩니다. 인공 시각 시스템에서 장치는 빛을 감지하고 이를 전기 신호로 변환하여 빛 정보를 생성하고 저장합니다. 광 시냅스 트랜지스터는 광 신호를 전기 신호로 신속하게 변환하는 동시에 정보 저장에 탁월한 특성을 나타냅니다. 따라서 최근 인공 시각 시스템을 구축하기 위한 장치로 주목을 받고 있습니다.

유기반도체18, 페로브스카이트19, 친환경 생체재료20 등 많은 재료가 광흡수층으로 사용됩니다. 이 중 육각형 구조의 반도체 소재인 무기 할로겐화물 페로브스카이트(CsPbBr3)를 사용했다. 페로브스카이트는 광전 효율이 높기 때문에 태양전지21 및 광검출기22와 같은 광학 장치로 주목을 받고 있습니다. 그러나 습기에 매우 취약하며 장기간 대기에 노출되면 광전 효율이 크게 감소합니다23. 이러한 점에서, 무기 물질로 만들어진 CsPbBr3는 다른 유기-무기 페로브스카이트보다 안정성이 더 좋습니다.