[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种具有扩展浮空栅结构的高性能MoS2突触晶体管，实现了接近理想的亚阈值摆幅（77 mV/decade），并实现了高效的电荷隧穿，适用于神经形态计算。该器件展示了尖峰时间依赖可塑性（STDP）、长时程增强/减弱，以及极低的能量耗散（每脉冲约20 fJ），为电化学基突触器件提供了一种稳健、固态的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 开发一种免受电化学反应影响、长期稳定性更优的固态突触晶体管。
• 克服传统MoS2浮空栅器件在神经形态应用中所需的高电压与高能耗问题。
• 利用扩展石墨烯浮空栅结构，实现接近理想的亚阈值摆幅与低功耗运行。
• 在二维半导体基器件中实现生物上合理的突触可塑性，包括尖峰时间依赖可塑性（STDP）。
• 通过使用超薄二维材料（如MoS2）提升栅耦合效率并减小短沟道效应，实现可扩展、高能效的神经形态硬件。

提出的方法

• 器件采用MoS2沟道，其与扩展石墨烯浮空栅（FG）之间由六方氮化硼（hBN）隧穿势垒隔开。
• 通过全局背栅或顶栅控制浮空栅与MoS2沟道之间的电荷隧穿，实现非易失性存储行为。
• 扩展浮空栅结构提升了栅控效率，降低了所需栅压，实现了在四十年代漏电流范围内77 mV/decade的亚阈值摆幅。
• 通过向突触前和突触后电极施加精确时序的电压脉冲，演示了尖峰时间依赖可塑性（STDP），并测量了电导变化与时间延迟的关系。
• 能量耗散按公式 E = I_sd × t_pulse × V_sd 计算，测量在低漏极偏置（V_sd = 0.01 V）条件下进行。
• 通过改变脉冲宽度和幅值，表征器件性能，以评估突触权重调制的能量效率与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MoS2突触晶体管中，扩展浮空栅结构能否实现接近理想的亚阈值摆幅与低功耗运行？
• RQ2 该器件如何在固态、非电化学系统中模拟生物突触可塑性，特别是尖峰时间依赖可塑性（STDP）？
• RQ3 所提出的MoS2基突触晶体管每脉冲的能量耗散是多少？与现有神经形态器件相比如何？
• RQ4 该器件能否在无离子或电化学过程导致退化的情况下，保持重复增强与抑制循环中的稳定电导调制？
• RQ5 通过器件设计与输入脉冲配置，其增强与抑制的时间常数可在多大程度上实现可调？

主要发现

• 器件在四十年代漏电流范围内实现了77 mV/decade的亚阈值摆幅，接近场效应晶体管的理论极限。
• 成功演示了尖峰时间依赖可塑性（STDP），其特征时间常数为：τ+ = 0.34 s（增强），τ− = 0.6 s（抑制）。
• 对称STDP下器件通道电导变化达100%，证实了稳健且可逆的突触权重调制。
• 能量耗散测量值约为每脉冲20 pJ（抑制），并随脉宽线性增加，在100 μs脉宽时外推值约为~20 fJ。
• 与双端MoS2器件相比，能量耗散低五十年代；与互补MOS器件相比，低一至两个十年，凸显其卓越的能量效率。
• 由于扩展浮空栅结构提升了栅控效率，器件在低漏极偏置（V_sd = 0.01 V）下运行，且栅压需求显著降低。