KR102198720B1 - 뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화아연의 나노핀(nanofin) 구조를 포함함으로써 광 입력에 대해 광전류를 출력으로 하며 신호의 통합 및 기억과 같은 바이오 뉴런 및 시냅스와 유사한 거동을 나타내는 뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법{Neuromorphic Photodetector and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화아연의 나노핀(nanofin) 구조를 포함함으로써 광 입력에 대해 광전류를 출력으로 하며 신호의 통합 및 기억과 같은 바이오 뉴런 및 시냅스와 유사한 거동을 나타내는 뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
인간의 뇌 내에서의 시공간 정보 처리 프로세스는 광 입력을 갖는 뉴런과 시냅스의 공동 작업에 의해 수행된다. 따라서 향후의 인공 시각 및 정보 저장 시스템을 설계하기 위해서는 광 소자를 사용하여 이와 같은 신경기능을 모방 할 필요가 있다.
인간의 뇌의 기본 정보 처리 장치는 뉴런과 시냅스와 같은 상호 연결된 전기 흥분성 세포이다. 뉴런은 자극의 강도, 간격 및 반복 정도에 따라 누설 통합, 자동 발화 및 회복과 같은 특성을 나타낸다. 한편 시냅스는 단기 및 장기 기억과 같은 기억의 저장을 담당한다.
서로 연결된 수많은 뉴런과 시냅스로 구성되는 마이크로-나노 스케일의 네트워크는 기억 저장과 같은 결함에 강하고 에너지 효율이 높은 정보 처리 플랫폼을 제공한다. 이와 같은 병렬 아키텍처는 종래의 폰 노이만 컴퓨터 보다 더욱 뛰어난 컴퓨팅 시스템을 설계하기 위해 개발의 필요성이 있다.
이를 위해 최근에는 뇌와 같은 기능을 인공적으로 모방하기 위한 연구 노력이 지속되고 있다. 예를 들어 모트 절연체, 레독스 멤리스터, 상변화 멤리스터 및 칼코게나이드 임계 스위치 등이 시냅스 연결을 위해 구현되어 왔다. 다만 이와 같은 접근법에 기초한 뉴로모픽 장치는 여전히 작동중의 비선형성, 노이즈 및 높은 작동 전압 등의 문제로 인해 적용에 어려움을 겪고 있다.
한편, 인간이 외부로부터 획득하는 정보의 약 70%가 시각에서 오기 때문에 전기 작동 소자에 비해 광 작동 소자를 디자인 하는 것 또한 중요하다. 또한 광 작동 소자는 직접적인 접촉 없이 동작할 수 있고, 높은 작동 영역을 구현하면서도 동작 중 발열 문제를 피할 수 있다.
한편, 시각 시스템은 망막이 빛의 신호를 전기 펄스로 변환하는 매우 독특한 바이오 신경망으로서, 이는 광 검출 장치와 유사하다. 실제로, 인간 뇌의 시공간 정보는 신경망 내에서의 스파이크의 공간적 및 시간적 발생에 의해 해독된다. 따라서 이와 같은 거동을 모방하기 위해서는 장치가 직접 광학 입력을 받음과 동시에 공간 및 시간 도메인을 에뮬레이션하고 단일 장치 내에서 처리 및 기억을 수행 할 수 있어야 한다. 종래의 시각 시스템에는 별도의 이미지 센서, 메모리 및 처리 장치가 포함되어 있기 때문에 대면적 장치에서의 통합 처리 및 전력 소비 측면에서 보다 복잡하고 심각한 문제를 야기한다.
따라서 직접 광 펄스를 입력 받을 수 있고 동시에 메모리를 저장할 수 있는 바이오 뉴런의 거동과 동등한 거동을 나타낼 수 있는 광 검출기의 경우 뇌의 시공간 처리 과정을 모사하기에 효과적인 접근 방식이 될 수 있다. 그러나 많은 연구가 이루어지고 있는 인공 시냅스와 달리 인공 광 뉴런의 개발은 아직 미비한 상황이다.
본 발명은 산화아연의 나노핀(nanofin) 구조를 포함함으로써 광 입력에 대해 광전류를 출력으로 하며 신호의 통합 및 기억과 같은 바이오 뉴런 및 시냅스와 유사한 거동을 나타내는 뉴로모픽 광 검출기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 뉴로모픽 광 검출기로서, 기판 위에 배치되는 산화아연층; 상기 산화아연층의 일측에 배치되는 제1전극층; 및 상기 산화아연층의 타측에 배치되는 제2전극층; 을 포함하고, 상기 산화아연층은, 산화아연 나노핀 구조를 포함하는, 뉴로모픽 광 검출기를 제공한다.
본 발명에서는, 상기 뉴로모픽 광 검출기는, 광 펄스 입력에 대해 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층에 유도되는 광전류를 출력할 수 있다.
본 발명에서는, 산화아연 나노핀 구조는, 10nm 내지 10㎛의 폭을 갖고 상기 기판에 대해 수직 방향으로 성장하여 형성될 수 있다.
본 발명에서는, 상기 산화아연층은, 10 내지 1000nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에서는, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)일 수 있다.
본 발명에서는, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층은, Ag, Al 및 ITO 중 1 이상을 포함할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법으로서, 판 형태의 기판을 세척하는 단계; 상기 기판의 상면에 기설정된 패턴으로 제1전극층을 증착하는 단계; 상기 제1전극층 및 기판의 상면에 산화아연 나노핀 구조를 포함하는 산화아연층을 증착하는 단계; 상기 산화아연층의 상면에 제2전극층을 증착하는 단계; 및 상기 제1전극층의 상측에 형성된 산화아연층 및 제2전극층을 필링하는 단계; 를 포함하는, 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서는, 산화아연 나노핀 구조는, 10nm 내지 10㎛의 폭을 갖고 상기 기판에 대해 수직 방향으로 성장하여 형성될 수 있다.
본 발명에서는, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층을 증착하는 단계는, DC 스퍼터링 공정에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 나노핀 구조를 갖는 산화아연층이 광 입력에 대해 광전류를 출력하여 광 검출기의 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 광 입력에 대해 합산된 광전류를 출력하여 뉴런과 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 광 입력 후 광전류가 서서히 감소하여 뉴런의 누설과 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 광 입력에 의해 광 전류의 세기가 조절됨으로써 시냅스 가소성과 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 다양한 광 입력에 의해 단기 및 장기 기억과 같은 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 뉴로모픽 광 검출기의 배열을 통해 광 입력의 시공간 정보 처리를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 광 검출기의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2 내지 도 8은 뉴로모픽 광 검출기의 설계에 대한 사항들을 도시하는 도면이다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 명백하게 다른 내용을 지시하지 않는 “한”과, “상기”와 같은 단수 표현들은 복수 표현들을 포함한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 광 검출기의 구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 광 검출기는 기판(100) 위에 배치되는 산화아연층(200); 상기 산화아연층(200)의 일측에 배치되는 제1전극층(300); 및 상기 산화아연층(200)의 타측에 배치되는 제2전극층(400); 을 포함할 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 뉴로모픽 광 검출기는, 광 펄스 입력에 대해 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층에 유도되는 광전류를 출력하게 된다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에서 상기 산화아연층은, 산화아연 나노핀(nanofin) 구조를 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게는 상기 산화아연 나노핀 구조는, 10nm 내지 10㎛의 폭을 갖고 상기 기판에 대해 수직 방향으로 성장하여 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 산화아연층은, 바람직하게는 10 내지 1000nm의 두께를 가질 수 있다. 따라서 상기 산화아연 나노핀 구조는 10 내지 10㎛의 폭과 10 내지 1000nm의 높이를 갖는 수직 정렬된 나노핀 구조일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 산화아연 나노핀 구조는, 10nm 내지 80nm의 폭을 갖고 상기 기판에 대해 수직 방향으로 성장하여 형성될 수 있고, 상기 산화아연층은, 50 내지 150nm의 두께를 가질 수 있다.
이와 같이 형성된 산화아연 나노핀 구조에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 광 검출기는 광 입력 펄스의 강도, 수 및 간격에 의해 다양한 출력을 나타내고, 시간 의존적인 출력 전류를 나타내 뉴런과 유사한 거동을 나타낸다.
바람직하게는 상기 제1전극층(300) 및 상기 제2전극층(400)은, Ag, Al 및 ITO 중 1 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법은 판 형태의 기판을 세척하는 단계; 상기 기판의 상면에 기설정된 패턴으로 제1전극층을 증착하는 단계; 상기 제1전극층 및 기판의 상면에 산화아연 나노핀 구조를 포함하는 산화아연층을 증착하는 단계; 상기 산화아연층의 상면에 제2전극층을 증착하는 단계; 및 상기 제1전극층의 상측에 형성된 산화아연층 및 제2전극층을 필링하는 단계; 를 포함할 수 있다. 이와 같은 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법에 대한 더욱 자세한 사항은 후술하도록 한다.
도 2 내지 도 8은 뉴로모픽 광 검출기의 설계에 대한 사항들을 도시하는 도면이다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 바이오 뉴런은 A1, A2 등과 같이 하나 이상의 입력을 수신할 수 있으며 일반적으로 각각의 입력은 C1A1 + C2A2 + ... + CnAn와 같이 표현되는 출력을 생성하기 위해 별도의 가중치가 부여된다. 여기서 C1, C2, ... Cn은 0에서 1까지의 값을 포함하는 각 입력의 가중치 계수이다. 본 발명에서는 UV 펄스를 입력으로 하고, 2단자 사이의 광전류를 출력으로 하는 바이오 뉴런의 기본적인 기능을 모방한 간단한 광 검출기, 이른바 뉴로모픽 광 검출기를 제작하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기는 서로 다른 입력, 예를 들어 P1, P2, ... Pn에 의해 생성된 각각의 광전류 I1, I2, ... In는 합산되어 출력을 생성 할 수 있다. 여기서 I1, I2, ... In은 각각 입력 P1, P2, ... Pn에 의해 생성 된 광전류의 크기이다. 특히, 광 도전성 물질을 통한 전류의 전달은 일련의 광 펄스에 의해 쉽게 변경 될 수 있으며, 이와 같은 독특한 특성은 광 도전성 물질을 통해 뉴런 및 시냅스를 모방할 수 있도록 한다.
종래의 광 검출기와 달리, 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기는 시간 의존적 출력 전류를 나타내어야 하며, 이를 통해서 뉴런과 시냅스의 행동을 행동을 모방 할 수 있게 된다.
도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 이와 같은 뉴로모픽 광 검출기는 시간에 따라 광전류(Ip)를 누적할 수 있으므로 복수의 UV 입력을 가하면 Ip가 점차 증가하고, Ip가 임계 값을 초과하면 장치가 바이오 뉴런과 같이 출력을 발생시킨다. 임계값은 이와 같은 인공 뉴런이 사용되는 분야에 따라 정해질 수 있다. 실제로, 가해지는 펄스의 강도 및 간격에 대한 뉴로모픽 광 검출기의 출력 Ip는 바이오 뉴런과 유사한 거동을 보이게 된다. 다른 한편으로, UV 입력이 없는 동안 Ip는 점차적으로 감소하는데, 이는 바이오 뉴런의 누설 거동과 매우 유사하다. UV 조명에 의한 Ip의 증가 및 감소는 각각 UV 유도 전자-정공 쌍의 생성 및 재조합 공정에 기인한다.
뉴로모픽 광 검출기를 제작하기 위해, 전하 수송에 있어서 결함이 결정적인 역할을 수행하는 산화아연(ZnO)을 사용하였다. 여기서 산화아연의 결함은 광 생성 전자-정공(e-h)쌍에 의해 채워짐으로써 원활한 전하 수송을 수행하거나 보다 높은 광전류를 초래할 수 있다. 실제로, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 고정 측정 전압에서 조명 시간 및/또는 강도가 증가함에 따라, 산화아연층 내의 결함이 채워질 수 있고, 결과적으로 Ip가 증가 된다. 다른 한편으로, Ip의 느린 감소는 영구 광 전도성(Persistent Photo-conductivity, PPC)으로 알려진 산소 빈자리의 흡수 및 탈착에 기인한다.
도 3의 (a)에는 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기의 개략도가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서 뉴로모픽 광 검출기는 Al 및 Ag 전극 사이에 개재 된 원자층증착 된 ZnO "나노핀(nanofin)"을 함유한다.
도 4에는 나노 핀에 기한 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기에 관한 내용이 도시되어 있다.
도 4의 (a)를 참조하면 나노와이어 및 나노 핀의 기하학적 차이를 확인할 수 있다. 나노핀은 길이가 단면적에 비해 큰 형태로서, 와이어의 형태를 갖는 나노와이어와 달리 단면적에 비해 길이가 매우 짧아 판재 형태를 가지게 된다.
도 4의 (b)에는 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기의 단면 회로도가 도시되어 있고, 도 4의 (c)에는 상기 뉴로모픽 광 검출기를 제조하기 위한 단계가 개략적으로 도시되어 있다. 도 4의 (b)를 참조하면 산화아연층은 단면이 'ㄴ'자 형태를 가지게 되고, 전극층은 상기 산화아연층의 양 측에 위치하게 된다. 도 4의 (c)를 참조하면 이와 같은 구조를 형성하기 위한 제조단계가 개략적으로 도시되어 있다. 우선 마스킹을 통해 유리 기판 상에 금속 전극을 형성하고, 그 위에 산화아연층을 원자층증착을 통해 형성한다. 그 위에 다시 금속 전극을 형성한 뒤 도 4의 우측에 전극과 산화아연층이 겹쳐있는 곳을 테이프 필링을 통해 제거하게 된다.
이와 같은 나노핀의 배열에 의해 대규모로 제어된 장치 패턴을 설계 할 수 있으며, 이는 실제로 여러 다른 뉴로모픽 장치에 사용될 수 있다. 도 5를 참조하면 이와 같은 뉴로모픽 광 검출기의 제조 방법의 효과를 확인하기 위해 Al / ZnO / Al, Ag / ZnO / Ag, Al / ZnO / Ag 및 ITO / ZnO / ITO와 같은 다양한 유형의 대칭 또는 비대칭 전극을 사용하여 제조한 장치의 모습을 확인할 수 있다. 도 5의 (a) 원형 및 라인 패턴이 형성된 전극의 성장을 도시하고 있고, 도 5의 (b)는 원형 나노 핀의 사진을 도시한다. 이 중, 파란 디스크는 제작 실패한 장치이다. 도 5의 (c)는 원형 나노 핀의 개략도이고, 도 5의 (d)는 길이와 너비가 다른 수직 나노 핀을 성장시키기 위하여 사용되는 선 패턴이고, 도 5의 (e)는 수직으로 성장 된 나노 핀의 개략도이다. 실제로, 제시된 방법에 의하면 원하는 영역에서 직사각형 또는 원형과 같은 장치의 형상 및 μm에서 cm까지의 스케일을 제어 할 수 있다.
이와 같은 ZnO 나노핀의 성장은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 평면시 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 확인되었다. 산화아연층은 약 80nm의 두께로서, 수직으로 배치된 Ag 및 Al 사이에 샌드위치와 같이 삽입되고 균일하게 밀집되어 있다. 이와 같은 산화아연층의 샌드위치 특성은 그림 도 3의 (c)에 도시된 것과 같이 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS)으로 확인된다. 이는 장치에서 알루미늄(Al), 아연(Zn), 산소(O) 및 은(Ag) 원소의 분포를 보여준다. 원자층증착(ALD)에 의한 산화아연의 성장은 다양한 방법으로 확인되었다.
도 3의 (d)에는 나노핀을 관통하는 전하 수송을 이해하기 위해 -1.0V ~ +1.0V의 전압 스캔 범위(램프 속도: 0.01V/s)에서 어두운 상태 및 UV조명(강도: 5mW/cm2) 상태에서의 뉴로모픽 광 검출기의 일반적인 전류-전압(I-V) 특성을 측정한 결과가 도시되어 있다. 어두운 조건 및 UV조명 조건에서 나타나는 대칭 곡선의 모양은 산화아연과 Al/Ag 사이의 옴 밴드 정렬이 형성됨을 나타낸다. 도 3의 (d)를 참조하면 어두운 조건에서 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기는 낮은 전류(+1.0V에서 1.12μA)를 나타내며 UV조명 조건에서는 96.46μA로 증가합니다. 어두운 상태의 저항(Roff)은 약 1MΩ으로 나타났으며, UV조명(5mW/cm2) 상태에서 Ron은 약 10.4kΩ까지 감소하여 최대 광전류 스위칭 온/오프 비율 (Ip/Idark )이 약 102로 나타났다. 실제로 산화아연층 내에서 UV조명으로 인해 e-h쌍이 생성되었고, 모든 측정 전압에 대해 Ip가 증가하였다.
또한, 도 3의 (d)를 참조하면 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기에 단일 UV 펄스(4mW/cm2, Δt = 1s)를 조사한 후 +0.6V에서 과도 광응답(Ip-t)을 측정하였다. UV조명이 가해지는 동안, Ip는 급격히 증가하는 반면, 조명이 꺼진 후에는 점차적으로 감소하였고, 이는 각각 대역간 여기 및 e-h쌍의 재결합을 나타낸다. 이와 같은 결과는 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기가 단일 UV 펄스에 대한 특징적인 반응을 나타냄을 보여준다. 또한, 이 장치는 UV 조명 후 광전류 감소가 느리다는 것을 보여 주며, 이와 같은 현상은 산소 빈자리에 의한 전하 트래핑/디트랩핑에 의한 것으로 추측된다. 산화아연 기반 소자에서 Ip의 느린 감소는 UV의 반응에 의해 생성된 정공이 화학 흡착 된 표면 산소와 h+ + O2-(ad) = O2(g)와 같이 반응한다는 사실에 근거하여 설명된다. 그러나, UV에 의해 생성된 전자는 산화아연층에 남아있어 전기 전도도를 증가시킨다. 중요한 사실은, UV조명을 끈 후 Ip의 감소가 뉴런의 누설 특성과 유사하다는 것이다.
도 6을 참조하면 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기를 지배하는 역학을 이해하고 확인하기 위해 UV조명 전 후에 산화아연층에 대한 X선 광전자 분광법(XPS) 측정을 수행한 결과를 확인할 수 있다. 도 6의 (a)는 UV 조명 전 후의 산화아연의 XPS 스펙트럼이고, 도 6의 (b)는 UV 조명 전 후의 산소의 XPS 스펙트럼이다. UV 조명 후, 화학 흡착 된 표면 산소와 관련된 XPS 피크(532.5eV)는 크게 감소하며, 이는 산소 빈자리와 관련된 전하 트래핑 사이트의 감소로 인한 것이다.
또한, 도 3의 (e)에는 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기의 광 활성 특성을 확인하기 위해, 고정 조명 시간(Δt = 1s)에서 펄스 UV 강도를 0.25 내지 5mW/cm2로 변화시키면서 측정한 Ip가 도시되어 있다. Ip의 크기는 UV 강도에 따라 선형적으로 증가하고, 이는 광 생성된 캐리어의 수가 증가함에 따른 것이다. 통계적으로 분석하기 위하여, 면적이 다른 복수의 뉴로모픽 광 검출기를 이용하여 측정을 수행하였고, 면적에 상관없이 대부분 유사한 동작을 보여주었다. 도 3의 (e)에 도시된 오차범위 표시 줄은 복수의 장치에서 수집 한 IP에 해당한다. 또한 하기 식과 같이 선형 동적 범위(LDR)가 계산될 수 있으며, 이는 5mW/cm2의 UV 조명 강도에서 40dB이다.
Figure 112020063482818-pat00001
또한, 면적이 다른 다양한 뉴로모픽 광 검출기의 Ip를 측정한 결과가 도 3의 (f)에 도시되어 있다. 흥미롭게도 Ip는 장치 면적에 따라 증가하므로 장치를 필요 면적에 맞추어 설계하는 접근 방식을 따를 수 있다.
바이오 뉴런은 연결된 시냅스에서 입력을 수집하고 임계값에 도달 한 경우 이를 통합하여 출력 신호를 생성한다. 반면, 수집한 입력이 임계값에 도달하지 않으면 신호가 소멸되며, 이는 메모리를 삭제와 유사하다. 누수 통합 및 발화와 같은 두 기능은 모두 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기를 사용하여 에뮬레이션 할 수 있다. 실제로, UV 조명을 가한 후 발생하는 Ip의 감소는 바이오 뉴런의 막 전위의 '누설'과 망각의 주요 동적 특성에 상응한다. 이와 같은 감소 시간은 또한 메모리 스팬을 결정하며 또한 출력을 발화한 후 장치를 재설정하는 데 유용하다.
뉴런의 행동을 모방하기 위해, 크기가 비슷하고 다른 시간 간격을 갖는 두 개 이상의 스파이크 시퀀스가 장치에 가해진다고 가정한다. 이 경우 개별 스파이크에 해당하는 Ip는 키르히호프의 법칙에 따라 물리적으로 합산되어 결과 출력을 생성한다. 따라서 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 간격이 짧거나 강한 입력 펄스의 시퀀스는 임계값에 더욱 빨리 접근하여 발화를 발생시키게 된다. 또한, Ip는 인간 뉴런의 이완 과정과 유사하게 점차 초기 상태로 감소하게 된다.
따라서, 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기는 입력 펄스의 수 및/또는 간격을 변화시킴으로써 Ip의 크기를 변조할 수 있다. 7의 (b) 및 (c)에는 UV 강도 및 펄스의 수 또는 간격 각각에 대한 Ip의 크기가 도시되어있다.
도 7의 (b) 를 참조하면 높은 펄스 수(Δt = 0.1s 및 Δd = 1s) 및 높은 UV 강도에서 Ip가 빠르게 증가한다. 또한 도 7의 (c)를 참조하면, Ip는 UV 펄스의 Δd를 줄임으로써 증가시킬 수 있다. 도 7의 (c)에서는 1 내지 10초 범위의 서로 다른 펄스 간격을 갖는 자극 트레인에 대한 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기의 응답을 보여준다. Ip의 크기는 조명 펄스의 간격 및/또는 펄스 수에 따라 달라지게 된다. Ip의 전반적인 변화는 각 자극 사이의 간격이 증가함에 따라 감소한다. 이와 같이 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기는 정해진 UV 강도에서 펄스 간격 및/또는 펄스의 수를 변경함으로써 Ip의 수준을 변조 할 수 있으며, 여러 매개 변수를 조절함으로써 발화 임계값을 제어할 수 있도록 한다.
만약 발화에 대한 임계 값이 10μA로 설정되는 경우, 임계 전류보다 높은 Ip 출력 Iw가 펄스 수 및 펄스 간격에 대한 함수로서 각각 도 7의 (d) 및 (e)에 도시되어 있다. 적은 수의 펄스(n<3, Δt = 0.2s, Δd = 3s)의 경우 Iw는 0에 가깝고 이는 발화 조건이 없음을 나타낸다. 반면, 그 보다 많은 수의 펄스에서 Ip의 누적 특성으로 인해 Iw는 0이 아니라 펄스 수가 증가함에 따라 증가한다. 또한, 도 7의 (e)에는 6 개의 변조 스파이킹 입력(강도 = 4mW/cm2, Δt = 0.2s)의 펄스 간격에 대한 함수로서 Iw의 변화가 도시되어 있다. 도 7의 (d) 및 (e)를 참조하면 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기의 발화 특성은 펄스 수 및/또는 펄스 간격에 의해 조절 될 수 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 수치는 뉴로모픽 광 검출기의 임계값 특성이 적용되는 스파이크에 의해 조절될 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 6 개의 펄스(강도 = 4mW/cm2, Δt = 0.2s, Δd = 9s)는 임계값을 초과하는 전류를 생성할 수 없지만, 간격 Δd를 6초로 줄이는 경우 임계값을 초과할 수 있다. 즉, 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기를 통해 바이오 뉴런과 매우 유사한 광전류의 통합을 수행 할 수 있기 때문에, 바이오 신경망에서의 시간 정보 처리를 모방 할 수 있는 가능성을 제공하게 된다.
한편, 시냅스 가중치와 같은 시냅스의 기본 요소는 Ca2 +, Na+, Mg+ 이온군의 농도에 의해 조절 될 수 있다. 본 발명의 산화아연 기반 뉴로모픽 광 검출기는 PPC와 같은 광 유도 된 시냅스 기능을 모방하였다. 일반적으로, 인간 뇌의 학습 및 기억 기능의 기원은 시냅스 가소성의 경험에 따른 변화에 의한 것으로 여겨지며, 상기 시냅스 가소성은 뉴런의 활동에 의해 변경 될 수 있다. 따라서, 광 유도에 의한 뇌와 유사한 기억 저장을 구현하기 위해 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 상이한 수의 펄스에 대해 Ip를 측정하였다. 종래의 메모리 기술과는 달리, 사람의 기억은 기억의 잔류 시간에 따라 단기 및 장기 메모리의 두 가지 유형으로 분류된다.
본 발명의 뉴로모픽 광 검출기는 광자 감지, 신호 통합을 통한 신호 처리 및 메모리 장치의 기능을 동시에 나타낼 수 있기 때문에, 연관 메모리를 통한 패턴 인식을 수행할 수 있는 장치의 배열을 구성하였다. 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 시공간 처리 및 학습 기능을 확인하기 위해 ITO 전극을 포함하는 16 개의 뉴로모픽 광 검출기의 배열이 사용되었다. 이러한 산화물 기반 뉴로모픽 광 검출기는 가시광 영역에서 높은 투과율을 보여 주며, 특히 투명 광전자 장치를 설계하는 데 유용하다.
적절한 이미지의 처리를 위해서는 광 강도에 대한 반응을 요구한다. 또한 시공간 패턴을 인식하기 위해 시냅스 가중치가 순차적으로 연관될 필요가 있다. 이러한 조건을 만족하기 위해 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기 어레이는 직접적인 광 입력을 감지하는 광 센서로 작동함과 동시에, 학습 규칙에 따라 시냅스 가중치를 조정하는 처리 장치로 작동한다. 도 8의 (c)에는 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기 어레이의 사진이 도시되어 있다. 도 8의 (d) 및 (e)를 참조하면 본 발명의 뉴로모픽 광 검출기 어레이는 상이한 강도의 UV 스파이크 정보에 동시에 노출된다. 도 8의 (d)에는 8mW/cm2의 강도의 UV 입력이 도시되어 있고, 도 8의 (e)에는 2mW/cm2의 강도의 UV 입력이 도시되어 있다. 이와 같은 광 입력의 후 400초가 경과한 뒤 광 입력의 공간적 합산에 의해 생성 된 출력을 측정하였고, 측정 결과가 도 8의 (f)에 도시되어 있다.
측정 결과, 저강도의 누적은 고강도보다 낮은 결과를 유도한다. 이와 같은 광 스파이크의 조합 의존적인 메모리 저장 동작은 필터링 후 정보를 선택적으로 저장하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 고강도 및 저강도의 UV는 임계값 등과 같은 상하 필터로 설정될 수 있다. 실제로, 4mW/cm2 이상에 의해 생성된 Ip는 논리 회로에서와 같이 '1'로 정의되며, 그 이하에 의해서는 논리 회로의 '0'과 같이 출력이 생성되지 않았다. 따라서 이와 같은 강도를 선택 강도라고 한다. 이와 같은 디지털 출력은 인간 뇌와 유사한 메모리 저장 과정에서 중요한 역할을 하며, 뉴로모픽 광 검출기의 임계 값 속성은 선택적 메모리를 저장하는 데 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에서 기판으로 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 아세톤, 메탄올 및 탈 이온수(DI)에 의해 초음파로 순차적으로 세정되었다.
산화아연층은 증착에서는 도징 펄스들 사이에서 챔버를 퍼지 하는데 사용되는 수송 전구체로서 유량 50sccm의 질소 가스를 사용하였다. 디에틸아연과 H2O 모두 세척 시간은 10 초로 설정되었다. 산화아연층의 증착은 150℃에서 수행되었다. 사이클 수는 320이며, 이와 같은 반복을 통해 원하는 두께를 생성하였다.
Ag 및 Al의 증착은 50 sccm의 Ar 가스 유동하에 DC 300W의 전력에서 초 순수(99.99%) Ag 및 Al 타겟을 사용하는 DC 스퍼터링 공정에 의해 수행되었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 나노핀 구조를 갖는 산화아연층이 광 입력에 대해 광전류를 출력하여 광 검출기의 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 광 입력에 대해 합산된 광전류를 출력하여 뉴런과 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 광 입력 후 광전류가 서서히 감소하여 뉴런의 누설과 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 광 입력에 의해 광 전류의 세기가 조절됨으로써 시냅스 가소성과 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 다양한 광 입력에 의해 단기 및 장기 기억과 같은 시냅스와 유사한 거동을 보여 뉴로모픽 장치로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 뉴로모픽 광 검출기의 배열을 통해 광 입력의 시공간 정보 처리를 수행할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 뉴로모픽 광 검출기로서,
    기판 위에 배치되는 산화아연층;
    상기 산화아연층의 일측에 배치되는 제1전극층; 및
    상기 산화아연층의 타측에 배치되는 제2전극층; 을 포함하고,
    상기 산화아연층은,
    산화아연 나노핀 구조를 포함하고,
    상기 산화아연 나노핀 구조는,
    상기 일측 및 상기 타측 사이가 10nm 내지 10㎛의 폭을 갖고, 상기 기판에 대해 수직 방향으로 성장하여 형성되는, 뉴로모픽 광 검출기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 뉴로모픽 광 검출기는,
    광 펄스 입력에 대해 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층에 유도되는 광전류를 출력하는, 뉴로모픽 광 검출기.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화아연층은,
    10 내지 1000nm의 두께를 갖는, 뉴로모픽 광 검출기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)인, 뉴로모픽 광 검출기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극층 및 상기 제2전극층은,
    Ag, Al 및 ITO 중 1 이상을 포함하는, 뉴로모픽 광 검출기.
  7. 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법으로서,
    판 형태의 기판을 세척하는 단계;
    상기 기판의 상면에 기설정된 패턴으로 제1전극층을 증착하는 단계;
    상기 제1전극층 및 기판의 상면에 산화아연 나노핀 구조를 포함하는 산화아연층을 증착하는 단계;
    상기 산화아연층의 상면에 제2전극층을 증착하는 단계;
    및 상기 제1전극층의 상측에 형성된 산화아연층 및 제2전극층을 필링하는 단계; 를 포함하고,
    상기 산화아연 나노핀 구조는,
    상기 일측 및 상기 타측 사이가 10nm 내지 10㎛의 폭을 갖고, 상기 기판에 대해 수직 방향으로 성장하여 형성되는, 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1전극층 및 상기 제2전극층을 증착하는 단계는,
    DC 스퍼터링 공정에 의해 수행되는, 뉴로모픽 광 검출기의 제조방법.
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