[논문 리뷰] A high-performance MoS2 synaptic device with floating gate engineering for Neuromorphic Computing

Tathagata Paul, Tanweer Ahmed외 3명|ArXiv.org|2019. 04. 06.

Advanced Memory and Neural Computing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 신경형 컴퓨팅을 위한 효율적인 전하 터널링을 가능하게 하는 연장된 플로ating 게이트 구조를 갖춘 고성능 MoS2 시냅스 트랜지스터를 제시한다. 이 장치는 근접한 이상적인 서브스브리지 스윙(77 mV/디어드)을 달성하고, 극도로 낮은 에너지 소모(~1 pulse당 20 fJ)를 실현한다. 장치는 스파이크-타이밍 의존성 플라스티시티(STDP), 장기 강화/감퇴 및 초저에너지 소모를 보이며, 전기화학 기반 시냅스 장치의 고체 상태 대안으로 강력한 성능을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간이 지남에 따라 열화되는 전기화학 반응이 없는 고체 상태 시냅스 트랜지스터를 개발하기 위해.
• 뉴로모픽 응용 분야에서 기존 MoS2 플로ating 게이트 장치의 높은 전압 및 에너지 요구량을 극복하기 위해.
• 연장된 그래핀 플로ating 게이트 구조를 사용하여 근접한 이상적인 서브스브리지 스윙과 저에너지 작동을 달성하기 위해.
• 2차원 반도체 기반 장치에서 생물학적으로 타당한 시냅스 플라스티시티, 특히 스파이크-타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)를 입증하기 위해.
• 우수한 게이트 커플링과 단층 효과 감소를 갖춘 초박공 2차원 재료인 MoS2를 사용하여 확장 가능하고 에너지 효율적인 뉴로모픽 하드웨어를 실현하기 위해.

제안 방법

• 장치는 플로ating 게이트(FG)에서 분리된 헥사곤형 붕소질질화물(hBN) 터널 장벽을 갖는 MoS2 채널을 사용한다.
• 전하 터널링은 글로벌 백게이트 또는 톱게이트에 의해 제어되며, 비버니시브 메모리 행동을 가능하게 한다.
• 연장된 FG 구조는 게이팅 효율성을 향상시켜 필요한 게이트 전압을 감소시키고, 드레인 전류의 네 개 디어드에 걸쳐 77 mV/디어드의 서브스브리지 스윙을 실현한다.
• 정확한 타이밍의 전압 펄스를 전조신경 및 후조신경 전극에 인가하여 스파이크-타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)를 입증하였으며, 도전도 변화는 시간 지연의 기능으로 측정되었다.
• 펄스당 에너지 소모는 E = I_sd × t_pulse × V_sd 공식을 사용하여 계산되었으며, 저전압 드레인 바이어스(V_sd = 0.01 V) 조건에서 측정되었다.
• 펄스 폭과 진폭을 다양하게 조절하여 에너지 효율성과 시냅스 가중치 조절의 안정성을 평가하기 위해 장치 성능을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS2 시냅스 트랜지스터에서 연장된 플로ating 게이트 구조가 근접한 이상적인 서브스브리지 스윙과 저에너지 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 장치는 고체 상태이며 전기화학 반응이 없는 시스템에서 생물학적으로 타당한 시냅스 플라스티시티, 특히 스파이크-타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)를 어떻게 모방하는가?
• RQ3 제안된 MoS2 기반 시냅스 트랜지스터의 시냅스 펄스당 에너지 소모는 얼마이며, 기존의 뉴로모픽 장치와 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ4 이온 또는 전기화학 반응의 영향 없이 반복적인 강화 및 감소 사이클 동안 안정적인 도전도 조절을 유지할 수 있는가?
• RQ5 장치의 설계 및 입력 펄스 구성에 의해 강화 및 감소의 시간 상수를 얼마나 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 드레인 전류의 네 개 디어드에 걸쳐 77 mV/디어드의 서브스브리지 스윙을 달성하여, 필드효과 트랜지스터의 이론적 한계에 근접한다.
• 스파이크-타이밍 의존성 플라스티시티(STDP)는 강화의 특성 시간 상수 τ+ = 0.34 s와 감소의 특성 시간 상수 τ− = 0.6 s를 갖는 것으로 성공적으로 입증되었다.
• 대칭적 STDP에서 채널 도전도가 100% 변화함을 확인하여 강력하고 가역적인 시냅스 가중치 조절이 가능함을 입증하였다.
• 에너지 소모는 약 20 pJ per pulse로 측정되었으며, 펄스 폭에 따라 선형적으로 증가하여 100 μs 펄스 폭에서 추정된 값은 약 20 fJ에 이르렀다.
• 이 에너지 소모는 이중단 MoS2 장치보다 5개 디어드 낮고, 보완형 MOS 장치보다 1~2개 디어드 낮아 뛰어난 에너지 효율성을 입증하였다.
• 장치는 저드레인 전압(V_sd = 0.01 V)과 연장된 FG 구조로 인한 향상된 게이팅 효율성 덕분에 감소된 게이트 전압 요구량으로 작동한다.