[論文レビュー] A high-performance MoS2 synaptic device with floating gate engineering for Neuromorphic Computing

Tathagata Paul, Tanweer Ahmed+3 more|ArXiv.org|Apr 6, 2019

Advanced Memory and Neural Computing被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、近似的に理想に近い部分電圧スイング（77 mV/decade）を達成し、神経形態計算向けに効率的な電荷トンネルを可能にする、拡張されたフローティングゲート構造を有する高性能なMoS2シナプストランジスタを提案する。このデバイスはスパイク時間依存可塑性（STDP）、長期増強・劣化、および超低エネルギー消費（1パルスあたり約20 fJ）を示し、時間経過に伴い劣化しない固体状の代替手段を提供する。

ABSTRACT

As one of the most important members of the two dimensional chalcogenide family, molybdenum disulphide (MoS2) has played a fundamental role in the advancement of low dimensional electronic, optoelectronic and piezoelectric designs. Here, we demonstrate a new approach to solid state synaptic transistors using two dimensional MoS2 floating gate memories. By using an extended floating gate architecture which allows the device to be operated at near-ideal subthreshold swing of 77 mV/decade over four decades of drain current, we have realised a charge tunneling based synaptic memory with performance comparable to the state of the art in neuromorphic designs. The device successfully demonstrates various features of a biological synapse, including pulsed potentiation and relaxation of channel conductance, as well as spike time dependent plasticity (STDP). Our device returns excellent energy efficiency figures and provides a robust platform based on ultrathin two dimensional nanosheets for future neuromorphic applications.

研究の動機と目的

• 時間経過に伴い劣化する電気化学反応を伴わない固体状のシナプストランジスタの開発。
• ニューロモーフィック応用における従来のMoS2フローティングゲートデバイスの高い電圧およびエネルギー要件を克服すること。
• 拡張されたグラフェンフローティングゲート構造を用いて、近似的に理想に近い部分電圧スイングと低エネルギー動作を達成すること。
• 2次元半導体を用いたデバイスで、生物学的に妥当なシナプス可塑性（特にスパイク時間依存可塑性（STDP））を実証すること。
• MoS2などの超薄い2次元材料を用いて、改善されたゲート結合性と短チャネル効果の低減を実現し、スケーラブルでエネルギー効率の高いニューロモーフィックハードウェアを実現すること。

提案手法

• デバイスは、拡張されたグラフェンフローティングゲート（FG）から分離されたヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）トンネル障壁を介して分離されたMoS2チャネルを用いる。
• FGとMoS2チャネル間の電荷トンネルは、グローバルなバックゲートまたはトップゲートによって制御され、非揮発性メモリ動作を実現する。
• 拡張されたFG構造によりゲート効率が向上し、必要なゲート電圧が低減され、ドレイン電流の4デカドにわたり77 mV/decadeの部分電圧スイングが達成される。
• プリ・およびポストシナプス電極に正確にタイミングを合わせた電圧パルスを印加することでスパイク時間依存可塑性（STDP）を実証し、時間遅延関数として導電度の変化を測定する。
• 1パルスあたりのエネルギー消費は、E = I_sd × t_pulse × V_sd の式を用いて計算され、低ドレインバイアス（V_sd = 0.01 V）で測定される。
• パルス幅および振幅を変化させることでデバイスの性能を評価し、シナプスウェイト変調のエネルギー効率および安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張されたフローティングゲート構造を有するMoS2シナプストランジスタは、近似的に理想に近い部分電圧スイングと低エネルギー動作を達成できるか？
• RQ2 このデバイスは、固体状で電気化学反応を伴わないシステムにおいて、生物学的に妥当なシナプス可塑性、特にスパイク時間依存可塑性（STDP）をどのように模倣するか？
• RQ3 提案されたMoS2ベースのシナプストランジスタにおける1シナプスパルスあたりのエネルギー消費はどの程度で、既存のニューロモーフィックデバイスと比較してどうなるか？
• RQ4 このデバイスは、イオン的または電気化学的プロセスによる劣化が生じない状態で、繰り返しの増強および劣化サイクルにおいても安定した導電度変調を維持できるか？
• RQ5 このデバイスの設計および入力パルス設定を用いて、増強および劣化の時間定数をどの程度まで調整可能か？

主な発見

• ドレイン電流の4デカドにわたり77 mV/decadeの部分電圧スイングが達成され、フィールド効果トランジスタの理論的限界に近づく。
• スパイク時間依存可塑性（STDP）は、増強の時間定数τ+ = 0.34 s、劣化の時間定数τ− = 0.6 sを特徴として、成功裏に実証された。
• 対称的STDPにおいてチャネル導電度が100%変化することを確認し、強固で可逆的なシナプスウェイト変調を示した。
• エネルギー消費は、劣化パルスあたり約20 pJで測定され、パルス幅に比例して線形に増加し、100 μsパルス幅での外挿値は約20 fJに達する。
• 2端子型MoS2デバイスと比較して5桁、C-MOSデバイスと比較して1〜2桁低いエネルギー消費を示し、優れたエネルギー効率を示した。
• 拡張されたFG構造によるゲート効率の向上のおかげで、低ドレインバイアス（V_sd = 0.01 V）および低ゲート電圧要件で動作した。