KR102481915B1 - 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법 - Google Patents
3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102481915B1 KR102481915B1 KR1020210012982A KR20210012982A KR102481915B1 KR 102481915 B1 KR102481915 B1 KR 102481915B1 KR 1020210012982 A KR1020210012982 A KR 1020210012982A KR 20210012982 A KR20210012982 A KR 20210012982A KR 102481915 B1 KR102481915 B1 KR 102481915B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- region
- resistance value
- channel layer
- gate stack
- layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 title description 6
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 claims abstract description 56
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 50
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 22
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 21
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- -1 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002964 excitative effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 1
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 description 1
- 230000001242 postsynaptic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
- ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N zirconium nitride Chemical compound [Zr]#N ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
- H10N70/253—Multistable switching devices, e.g. memristors having three or more electrodes, e.g. transistor-like devices
-
- H01L45/1206—
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
- G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
- G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
-
- H01L45/08—
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
- H10N70/24—Multistable switching devices, e.g. memristors based on migration or redistribution of ionic species, e.g. anions, vacancies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Computational Linguistics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Neurology (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
게이트 스택으로부터 노출된 채널층을 갖는 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법이 개시된다. 이는 채널층이 가변저항 성분을 갖는 제1 영역과 고정저항 성분을 갖는 제2 영역을 포함하도록 하고, 제2 영역의 고정저항 특성을 이용하여 최대 컨덕턴스를 예측할 수 있기 때문에 사용하고자 하는 목적에 맞게 소자의 구동 범위를 조절할 수 있다. 또한, 채널층의 고정저항 성분에 의해 소자에 흐르는 최대 전류가 제한될 수 있기 때문에 과전류에 따른 소자의 파손이나 쇼트에 대한 위험성을 방지할 수 있어 안정적으로 소자를 구동시킬 수 있다.
Description
본 발명은 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 게이트 스택으로부터 노출된 채널층을 갖는 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법에 관한 것이다.
신경 세포의 원리를 이용하여 뉴로모픽 시스템(Neuromorphic System)을 구현할 수 있다. 뉴모로픽 시스템은 인간의 뇌를 구성하는 뉴런을 복수의 소자를 이용하여 구현함으로써 뇌가 데이터를 처리하는 것을 모방한 시스템을 말한다. 따라서, 뉴런 소자를 포함하는 뉴로모픽 시스템을 이용함으로써 뇌와 유사한 방식으로 데이터를 처리하고 학습할 수 있다.
도 1은 일반적인 뉴로모픽 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 뉴런 소자는 뉴런 소자의 시냅스를 통하여 다른 뉴런 소자와 연결되고, 시냅스를 통하여 다른 뉴런 소자로부터 데이터를 수신할 수 있다. 이때, 뉴런 소자는 수신된 데이터를 저장 및 통합하고 임계전압(Vt) 이상일 경우 이를 발화하여 출력한다. 즉, 뉴런 소자는 데이터의 축적 및 발화(integrate and fire) 기능을 한다. 또한, 시냅스 소자는 입력되는 데이터를 증강(potentiation)하거나 억제(depression)시켜 뉴런 소자에 전달한다. 즉, 시냅스 소자는 입력전압에 따라 선별적으로 출력한다.
이러한 시냅스 소자 중 2단자 시냅스 소자는 쓰기와 소거와 읽기를 동일한 2개의 전극을 사용한다. 따라서 저항 변화를 정확히 제어하기 어렵고, 상대적으로 STDP특성의 구현이 어렵다. 이를 해결하기 위하여, 게이트 전극을 추가하여 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 제어하는 3단자 시냅스 소자가 소개되었고, 이러한 소자의 시냅스 소자로의 활용 가능성이 높아지고 있다.
도 2는 종래의 3단자 시냅스 소자가 어레이 형태로 배치된 뉴로모픽 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 3단자 시냅스 소자는 뉴로모픽 시스템에서 각각 소스가 로우(row) 라인에 연결되고, 드레인이 컬럼(column) 라인에 연결된다. 또한, 게이트는 게이트(gate) 라인에 연결되는 구성을 갖는다.
이러한 종래의 3단자 시냅스 소자는 도 3에서와 같이, 채널층(10) 양측에 소스 전극(20) 및 드레인 전극(30)이 배치되고, 채널층(10) 상에는 게이트 전극(43)을 포함하는 게이트 스택(40)이 배치된다. 일예로, 이온 기반 3단자 시냅스 소자의 경우, 게이트 전극(43)에 포지티브 또는 네거티브 게이트 바이어스를 인가하여 활성 이온을 게이트 스택(40)에서 채널층(10)으로 또는 채널층(10)에서 게이트 스택(40)으로 이동시킴으로써 채널층(10)의 컨덕턴스(conductance)를 변화시키는 메커니즘으로 동작된다.
즉, 채널층(10)은 게이트 전극(43)에 인가되는 게이트 바이어스에 의해 채널층(10) 전체가 하나의 가변저항 특성을 가지며, 게이트 바이어스에 의한 활성 이온의 이동에 따라 채널층(10)의 전체 저항이 변화된다.
허나, 이러한 종래의 3단자 시냅스 소자는 채널층(10)의 저항값에 대해 제한이 없는 경우 저항이 계속 작아지게 되며, 이에 따라 컨덕턴스값이 무한으로 커질 수 있기 때문에 채널층(10)에 과전류가 흐르게 되어 소자가 파손되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 게이트 스택으로부터 노출된 채널층을 이용하여 채널층 전체의 최대 컨덕턴스를 제한할 수 있는 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법을 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 3단자 시냅스 소자는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상부에 배치된 채널층, 상기 채널층을 사이에 두고 서로 이격되어 배치되되, 상기 채널층의 양측면에 각각 접하도록 배치된 소스 전극과 드레인 전극 및 상기 채널층 상에 배치된 게이트 스택을 포함하고, 상기 채널층은 상기 게이트 스택과 겹치는 제1 영역 및 상기 게이트 스택으로부터 노출된 제2 영역을 포함한다.
상기 제1 영역은 가변저항 성분을 갖고, 상기 제2 영역은 고정저항 성분을 가질 수 있다.
상기 채널층의 전체 저항값은 상기 제1 영역의 저항값과 상기 제2 영영역의 저항값을 합한 저항값일 수 있다.
상기 채널층의 전체 저항값은 다음식
상기 채널층의 최소 저항값은 상기 제1 영역에서의 저항값이 0일 때의 상기 채널층의 저항값일 수 있다.
상기 게이트 스택 내에 형성된 활성 이온은, 상기 게이트 스택에서 상기 제1 영역으로 또는 상기 제1 영역에서 상기 게이트 스택으로 이동될 수 있다.
상기 채널층은 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5) 또는 WOx(2.5≤x≤3) 중 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 게이트 스택은, 상기 제1 영역 상에 배치된 중간층, 상기 중간층 상에 배치된 이온 저장층 및 상기 이온 저장층 상에 배치된 게이트 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 영역은 상기 중간층과 접하고, 상기 제2 영역은 상기 중간층으로부터 노출될 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스 제한 방법은 반도체 기판 상에 배치된 채널층이 게이트 스택과 겹치는 제1 영역 및 상기 게이트 스택으로부터 노출된 제2 영역을 포함하는 3단자 시냅스 소자에 있어서, 상기 제1 영역의 길이 변화에 따른 상기 채널층의 전체 저항값을 각각 측정하는 단계, 상기 측정된 채널층의 전체 저항값을 이용하여 상기 제2 영역의 저항값을 도출하는 단계, 상기 도출된 제2 영역의 저항값을 이용하여 상기 제1 영역의 저항값을 계산하는 단계, 상기 채널층의 최소 저항값을 계산하는 단계 및 상기 최소 저항값을 이용하여 상기 채널층의 최대 컨덕턴스값을 계산하는 단계를 포함한다.
상기 채널층의 전체 저항값을 각각 측정하는 단계는, 상기 측정된 채널층의 전체 저항값을 이용하여 추세선(trend line)을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 영역의 저항값 및 상기 최소 저항값을 계산하는 단계는 다음식
상기 채널층의 최소 저항값을 계산하는 단계에서, 상기 채널층의 최소 저항값은 상기 제1 영역에서의 저항값이 0일 때의 상기 채널층의 저항값일 수 있다.
상기 게이트 스택은, 상기 제1 영역 상에 배치된 중간층, 상기 중간층 상에 배치된 이온 저장층 및 상기 이온 저장층 상에 배치된 게이트 전극을 포함할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 채널층이 가변저항 성분을 갖는 제1 영역과 고정저항 성분을 갖는 제2 영역을 포함하도록 하고, 제2 영역의 고정저항 특성을 이용하여 최대 컨덕턴스를 예측할 수 있기 때문에 사용하고자 하는 목적에 맞게 소자의 구동 범위를 조절할 수 있다.
또한, 채널층의 고정저항 성분에 의해 소자에 흐르는 최대 전류가 제한될 수 있기 때문에 과전류에 따른 소자의 파손(breakdown)이나 쇼트(short)에 대한 위험성을 방지할 수 있어 안정적으로 소자를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 뉴로모픽 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 3단자 시냅스 소자가 어레이 형태로 배치된 뉴로모픽 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 3단자 시냅스 소자의 채널층에 대한 등가회로이다.
도 6은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스를 도출하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 채널층이 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5)로 형성된 3단자 시냅스 소자의 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 측정 저항값과 이에 따른 추세선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 계산된 최대 컨덕턴스를 비교하기 위한 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 채널층이 WOx(2.5≤x≤3)로 형성된 3단자 시냅스 소자의 동작을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 측정 저항값을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 계산된 최대 컨덕턴스를 비교하기 위한 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래의 3단자 시냅스 소자가 어레이 형태로 배치된 뉴로모픽 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 3단자 시냅스 소자의 채널층에 대한 등가회로이다.
도 6은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스를 도출하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 채널층이 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5)로 형성된 3단자 시냅스 소자의 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 측정 저항값과 이에 따른 추세선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 계산된 최대 컨덕턴스를 비교하기 위한 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 채널층이 WOx(2.5≤x≤3)로 형성된 3단자 시냅스 소자의 동작을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 측정 저항값을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 계산된 최대 컨덕턴스를 비교하기 위한 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자는 반도체 기판(110), 반도체 기판(110) 상부에 배치된 채널층(120), 채널층(120)을 사이에 두고 서로 이격되어 배치된 소스 전극(130)과 드레인 전극(140) 및 채널층(120) 상에 배치된 게이트 스택(150)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판, 실리콘-온-인슐레이터(silicon on insulator : SOI) 기판, 게르마늄 기판, 게르마늄-온-인슐레이터(germanium on insulator : GOI) 기판 또는 실리콘-게르마늄 기판일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예에서는 통상적으로 사용하는 실리콘 기판을 사용할 수 있으며, 상기 반도체 기판(110)은 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체 기판 또는 n형 불순물이 도핑된 n형 반도체 기판일 수도 있다.
상기 반도체 기판(110) 상부에는 채널층(120)이 배치될 수 있다. 채널층(120)은 저분자 유기 반도체, 유기 반도체, 전도성 고분자, 무기 반도체, 산화물 반도체, 이차원 반도체 및 양자점으로 형성된 물질 중 어느 하나의 물질로 형성되거나, 또는 W, Co, Mo, Ti, Ta와 같은 금속 물질 중 어느 하나의 물질로 형성되되, 활성 이온에 의해 컨덕턴스(conductance)가 변화되는 물질로 형성됨이 바람직하다. 일예로, 채널층(120)은 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5) 또는 WOx(2.5≤x≤3) 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판(110) 상부에는 채널층(120)을 사이에 두고 서로 이격되어 형성된 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)이 배치될 수 있다.
상기 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 후술할 게이트 스택(150)과 인접한 즉, 상기 반도체 기판(110)의 표면 상부에 위치하는 게이트 스택(150)과 인접하도록 상기 반도체 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 크롬, 티타늄, 아연, 납, 금, 및 은 물질 중 어느 하나의 물질로 선택되는 적어도 하나의 금속 재료를 포함할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜):폴리스티렌설포네이트 (PEDOT:PSS)와 같은 전도성 고분자 재료를 포함할 수 있으며, 도핑된 고분자 재료를 포함할 수 있다.
채널층(120) 상에는 게이트 스택(150)이 형성될 수 있다. 게이트 스택(150)은 채널층(120) 상에 배치된 중간층(151), 중간층(151) 상에 배치된 이온 저장층(152) 및 이온 저장층(152) 상에 배치된 게이트 전극(153)을 포함할 수 있다.
게이트 스택(150)은 게이트 마스크(gate mask)를 통해 중간층(151), 이온 저장층(152) 및 게이트 전극(153)이 순차적으로 적층된 형태를 갖되, 채널층(120)과 겹치는 영역과 채널층(120)과 겹치지 않는 영역이 형성되도록 증착될 수 있다. 즉, 채널층(120)은 게이트 스택(150)과 겹치는 제1 영역(121)에 해당하는 채널층(120)과 게이트 스택(150)으로부터 노출된 제2 영역(122)에 해당하는 채널층(120)으로 구분될 수 있다. 이러한 채널층(120)의 제1 영역(121) 및 제2 영역(122)에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
중간층(151)은 채널층(120) 상에 형성되되, 채널층(120)과 접하도록 형성될 수 있다. 중간층(151)은 활성 이온이 이온 저장층(152)에서 채널층(120)으로 또는 채널층(120)에서 이온 저장층(152)으로 이동되도록 전해질 물질로 형성됨이 바람직하다.
중간층(151) 상에는 이온 저장층(152)이 배치될 수 있다. 이온 저장층(152)은 이온성 물질을 포함함에 따라 시냅스 특성을 갖는다. 일예로, 시냅스 자극 스파이크(spike)는 이온 저장층(152) 하부에 형성된 채널층(120)을 향해 활성 이온(Active ion)을 이동시키고, 시냅스 반응 전류(excitatory post-synaptic current, 드레인 전류)를 발생시킨다. 이에, 채널층(120)으로 이동한 활성 이온은 전하를 끌어당기고 축적한다. 이 후, 시냅스 자극 스파이크가 끝나면, 시냅스 반응 전류가 서서히 감소함과 동시에, 활성 이온들은 점차적으로 이온 저장층(152)의 이온젤의 평형수준으로 되돌아오며 시냅스 특성을 갖는다.
여기서, 이온 저장층(152) 내에 형성된 활성 이온은 H+, Li+, Na+등의 양이온 또는 O2-와 같은 음이온을 포함할 수 있다. 또한, 이온 저장층(152)의 활성 이온이 이동되는 채널층(120)은 상기 활성 이온에 의해 전도도가 변화되는 물질로 형성됨이 바람직하다.
이온 저장층(152) 상에는 게이트 전극(153)이 형성될 수 있다. 게이트 전극(153)은 배리어 금속막 및 금속막을 포함할 수 있다. 일예로, 상기 배리어 금속막은 티타늄질화물, 탄탈늄질화물, 텅스텐질화물, 하프늄질화물, 및 지르코늄질화물과 같은 금속 질화막으로 이루어질 수 있다. 상기 금속막은 텅스텐, 구리, 하프늄, 지르코늄, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄, 루테늄, 팔라듐, 백금, 코발트, 니켈 및 도전성 금속 질화물들 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 게이트 전극(153)에 외부에서 전압 또는 전류가 인가되면 인가된 입력 신호에 의해 이온 저장층(152)과 채널층(120) 사이에서 활성 이온이 이동하게 되고, 활성 이온의 이동에 의해 채널층(120) 내의 활성 이온 양이 변경되어 채널층(120)의 전도도가 변하기 때문에 시냅틱 특성인 억제(depression) 특성 및 증강(potentiation) 특성을 갖는다.
도 5는 도 4에 도시한 3단자 시냅스 소자의 채널층에 대한 등가회로이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 채널층(120)은 상술한 바와 같이, 게이트 스택(150)과 겹치는 제1 영역(121) 및 게이트 스택(150)으로부터 노출된 제2 영역(122)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 영역(121)은 게이트 스택(150)의 중간층(151)과 접하도록 배치되고, 제1 영역(121)과 접하는 중간층(151) 상에는 이온 저장층(152) 및 게이트 전극(153)이 순차적으로 배치된다. 일예로, 채널층(120)의 제1 영역(121)에 해당하는 길이(Lch1)는 중간층(151), 이온 저장층(152) 및 게이트 전극(153)의 길이와 동일한 길이를 가질 수 있다.
제2 영역(122)은 상기 게이트 스택(150)이 증착되지 않고, 게이트 스택(150)으로부터 노출되어 채널층(120)으로만 형성된 영역일 수 있다. 따라서, 채널층(120)의 제2 영역(122)에 해당하는 길이(Lch2)는 채널층(120)의 전체 길이(Lch)에서 제1 영역(121)에 해당하는 길이(Lch1)를 제외한 길이일 수 있다.
일예로, 제2 영역(122)은 제1 영역(121)의 양측에 배치된 형태를 가질 수 있다. 이는, 도 3에 도시한 종래의 3단자 시냅스 소자에서 게이트 스택(150)의 길이를 양측 방향에서 축소시켜 채널층(120)의 양측을 노출시키는 형태일 수 있다. 따라서, 소스 전극(130)과 드레인 전극(140)은 제1 영역(121)과는 이격되고, 제2 영역(122)의 측면에 각각 접하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 영역(121) 및 제2 영역(122)은 모두 동일한 채널폭(Wch)을 가질 수 있다. 또한, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)는 실시예에 따라 변화될 수 있으며, 제1 영역(121)의 양측에 배치된 제2 영역(122)이 길이(Lch2)는 각각 서로 동일한 길이를 갖거나, 또는 다른 길이를 가질 수 있다.
이러한 제1 영역(121) 및 제2 영역(122)은 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 영역(121)은 가변저항 성분을, 제2 영역(122)은 고정저항 성분을 가질 수 있다. 일예로, 채널층(120)의 제1 영역(121)은 제1 영역(121) 상에 게이트 스택(150)이 형성된 구조를 갖기 때문에 게이트 전극(153)에 인가되는 전압에 따라 활성 이온들이 게이트 스택(150)에서 채널층(120)의 제1 영역(121)으로, 또는 제1 영역(121)에서 게이트 스택(150)으로 이동될 수 있다. 따라서, 제1 영역(121)의 저항 성분은 변화될 수 있다. 즉, 제1 영역(121)은 활성 이온의 이동에 의해 가변저항 특성을 가질 수 있다.
허나, 제2 영역(122)은 게이트 스택(150)으로부터 노출된 영역이기 때문에 게이트 스택(150)과 제2 영역(122) 간에 활성 이온의 이동이 발생되지 않는다. 따라서, 제2 영역(122)은 저항 성분이 변하지 않는 고정저항 특성을 가질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 채널층(120)은 가변저항 특성뿐만 아니라 고정저항 특성을 가질 수 있다. 따라서, 제2 영역(122)의 고정저항 특성을 이용하여 채널층(120)의 최소 저항값이 계산될 수 있다. 또한, 계산된 최소 저항값을 이용하여 채널층(120)의 최대 컨덕턴스를 구할 수 있다. 일예로, 게이트 전극(153)에 인가되는 전압에 따라 제1 영역(121)의 가변저항 성분이 최소가 되더라도, 제2 영역(122)의 고정저항 성분에 의해 소자에 흐르는 최대 전류를 제한할 수 있어 과전류에 따른 소자의 파손을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스를 도출하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스를 도출하기 위한 방법은, 제1 영역(121)의 길이 변화에 따른 채널층(120)의 전체 저항값(Rtotal)을 각각 측정하는 단계(S210), 측정된 채널층(120)의 전체 저항값(Rtotal)을 이용하여 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 도출하는 단계(S220), 도출된 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 이용하여 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)을 계산하는 단계(S230), 채널층(120)의 최소 저항값을 계산하는 단계(S240) 및 최소 저항값을 이용하여 채널층(120)의 최대 컨덕턴스값을 계산하는 단계(S250)를 포함한다.
우선, 채널층(120)의 제1 영역(121) 및 제2 영역(122)을 갖는 3단자 시냅스 소자에 있어서, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)를 변경하며 채널층(120)의 전체 저항값을 각각 측정한다.(S210) 일예로, 게이트 스택(150)의 길이 변경을 통해 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 변경되도록 하고, 제1 영역(121)의 길이 변화(Lch1)에 따른 채널층(120)의 전체 저항값(Rtotal)을 각각 측정한다. 또한, 제1 영역(121)의 길이(Lch1) 변화에 따라 변화되는 각각의 채널층(120) 전체 저항값 데이터를 이용하여 추세선(trend line)을 설정할 수 있다. 여기서, 추세선은 제1 영역(121)의 길이(Lch1) 변화에 따라 채널층(120)의 전체 저항값이 변화되는 경향을 추정한 선일 수 있다.
제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 도출하는 단계에서는, 측정된 각각의 전체 저항값 또는 설정된 상기 추세선을 이용하여 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)이 도출될 수 있다.(S220) 일예로, 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)은 채널층(120)의 고정저항에 해당하는 저항값으로, 상기 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 0일 때의 채널층(120)의 전체 저항값일 수 있다. 이는, 제1 영역(121)은 인가되는 전압에 따라 저항이 변화되는 가변저항 특성을 갖기 때문에 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)은 제1 영역(121)의 가변저항값이 0일 때 즉, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 0일 때의 채널층(120)의 전체 저항값과 동일할 수 있다. 따라서, 측정된 전체 저항값 또는 추세선을 이용하여 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 0일 때 채널층(120)의 전체 저항값을 확인함으로서 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)은 도출될 수 있다.
제1 영역(121)의 저항값(Rch1)을 계산하는 단계에서는, 상기 제1 영역(121)의 길이에 따른 채널층(120)의 전체 저항값(Rtotal) 및 도출된 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 수학식에 대입함으로써 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)이 계산될 수 있다.(S230)
제1 영역(121)의 저항값(Rch1)을 계산하기 위한 수식은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Rch1은 제1 영역(121)의 저항값, Rch2는 제2 영역(122)의 저항값, Lch1은 제1 영역(121)의 길이, Lch는 채널층(120)의 전체 길이 및 Wch는 채널층(120)의 폭(width)을 나타낸다.
즉, 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)을 미지수로 하고, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)에 따른 측정된 전체 저항값(Rtotal), 채널층(120)의 전체 길이(Lch), 채널층(120)의 폭(Wch) 및 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 수학식 1에 적용함으로써 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)은 계산될 수 있다.
채널층(120)의 최소 저항값을 계산하는 단계에서, 채널층(120)의 최소 저항값은 수학식 1에서 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)이 0일 때의 채널층(120)의 저항값일 수 있다.(S240) 즉, 채널층(120)의 전체 저항값은 제1 영역(121)에 해당하는 가변저항값과 제2 영역(122)에 해당하는 고정저항값을 합한 저항값일 수 있기 때문에 채널층(120)의 최소 저항값은 저항이 변화되는 가변저항값이 0일 때의 전체 저항 즉, 가변저항값을 제외한 고정저항의 저항값일 수 있다.
따라서, 채널층(120)의 전체 길이(Lch), 채널층(120)의 폭(Wch) 및 제2 영역(122)이 저항값(Rch2)을 알면 수학식 1을 이용하여 채널층(120)의 최소 저항값(Rch1)을 계산할 수 있다.
또한, 최소 저항값을 계산한 후, 계산된 최소 저항값을 이용하여 채널층(120)의 최대 컨덕턴스가 계산될 수 있다.(S250) 즉, 계산된 최소 저항값에 역수를 취함으로써 최대 컨덕턴스를 도출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자는 고정저항 특성을 갖는 채널층(120)의 제2 영역(122)을 이용하여 최대 컨덕턴스를 예측할 수 있기 때문에 사용하고자 하는 목적에 맞게 소자의 구동 범위를 조절할 수 있다. 또한, 예측된 컨덕턴스 범위를 이용하여 과전류에 따른 소자의 파손(breakdown)이나 쇼트(short)에 대한 위험성을 방지할 수 있기 때문에 안정적으로 소자를 구동시킬 수 있다.
제1 실시예
도 7은 본 발명의 채널층이 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5)로 형성된 3단자 시냅스 소자의 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 측정 저항값과 이에 따른 추세선을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 채널층(120)은 게이트 스택(150)과 겹치는 제1 영역(121)과 게이트 스택(150)으로부터 노출된 제2 영역(122)을 포함한다. 이때, 채널층(120)은 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5)의 물질로 형성될 수 있다.
일예로, 게이트 전극(153)에 포지티브 펄스(positive pulse)를 인가하면 활성 이온은 채널층(120)으로부터 이온 저장층(152)으로 이동되며, 네거티브 펄스(negative pulse)를 인가하면 활성 이온은 이온 저장층(152)으로부터 채널층(120)으로 이동하게 된다. 즉, 게이트 전극(153)에 인가되는 펄스에 따라 채널층(120)의 컨덕턴스는 변경된다.
이때, Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5)을 이용한 채널층(120)은 활성 이온이 탈락(desertion)됨에 따라 채널층(120) 내에 존재하는 Mn-O-Mn 으로 구성된 컨덕티브 패스(conductive path)가 붕괴되어 컨덕턴스가 감소하는 특성을 갖는다.
이러한 특성을 갖는 채널층(120)에 대해 채널층(120)의 폭과 길이를 100μm로 각각 형성하고, 제1 영역(121)의 길이(Lch1) 및 제2 영역(122)의 길이(Lch2) 변화에 따른 채널층(120) 전체의 저항(Rtotal)을 각각 측정하면 아래의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
| 제1 영역의 길이(μm) | 제2 영역의 길이(μm) | 채널층의 전체 저항(MΩ) |
| 0 | 100 | 12.82 |
| 4 | 96 | 12.26 |
| 10 | 90 | 11.81 |
| 20 | 80 | 10.98 |
| 40 | 60 | 9.85 |
| 60 | 40 | 8.76 |
또한, 표 1에서 제1 영역(121)의 길이(Lch1)에 따른 측정된 채널층(120)의 전체 저항값과 이에 따른 추세선을 도 8과 같이 나타낼 수 있다.
도 8의 추세선을 이용하면 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 구할 수 있다. 일예로, 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)은 채널층(120)의 고정저항에 해당하는 저항값으로, 상기 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 0일 때의 채널층(120)의 전체 저항값과 동일할 수 있다. 따라서, 추세선을 이용하면 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)은 12.023MΩ/□를 가질 수 있다.
여기서, 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)과 수학식 1을 이용하면 제1 영역(121)의 길이(Lch1)에 따른 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)을 구할 수 있다. 일예로, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 40μm일 경우 제1 영역(121)의 저항값(Rch1)은, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)가 40μm일 경우의 전체 저항값(Rtotal)=9.85MΩ, 제1 영역(121)의 길이(Lch1)=40μm, 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)=12.023MΩ/□, 채널층(120)의 길이(Lch)=100μm 및 채널층(120)의 폭(Wch)=100μm을 수학식 1에 적용하면 6.593MΩ/□의 저항값을 얻을 수 있다.
또한, 채널층(120)의 최소 저항값은 가변저항값이 0일 때의 전체 저항값이므로, 제2 영역(122)에 해당하는 고정저항값이 채널층(120)의 최소 저항값일 수 있다. 따라서, 수학식 1에서 제1 영역(121)의 저항값이 0일 때의 전체 저항을 계산하면 10.82MΩ의 최소 저항값이 계산될 수 있다. 계산된 최소 저항값을 이용하여 최대 컨덕턴스를 구하기 위해 최소 저항값을 역수로 환산하면 92.415nS의 최대 컨덕턴스를 얻을 수 있다. 즉, 채널층(120)의 제2 영역(122)의 고정저항 성분을 이용하여 최대 컨덕턴스를 구할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 계산된 최대 컨덕턴스를 비교하기 위한 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 도 9의 측정값은 게이트 바이어스를 0.5V에서 4.0V까지 인가하였을 때 측정된 컨덕턴스를 나타낸다. 도 9에서와 같이, 측정된 최대 컨덕턴스는 76.64nS로 계산된 최대 컨덕턴스와 유사한 컨덕턴스값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
제2 실시예
도 10은 본 발명의 채널층이 WOx(2.5≤x≤3)로 형성된 3단자 시냅스 소자의 동작을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 측정 저항값을 나타낸 그래프이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 채널층(120)은 게이트 스택(150)과 겹치는 제1 영역(121)과 게이트 스택(150)으로부터 노출된 제2 영역(122)을 포함한다. 여기서, 채널층(120)은 WOx(2.5≤x≤3)의 물질로 형성될 수 있다.
이때, WOx(2.5≤x≤3)로 형성된 채널층(120)을 갖는 3단자 시냅스 소자는 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5)을 채널층(120)으로 갖는 제1 실시예에 따른 3단자 시냅스 소자와 비교했을 때, 활성 이온이 탈락(desertion)됨에 따라 컨덕턴스가 증가하는 반대의 특성을 갖는다.
이러한 제1 실시예와 반대의 특성을 갖는 채널층(120)에 대해, 채널층(120)의 폭(Wch)을 10μm, 채널층(120)의 길이(Lch)를 60μm로 형성하고, 제1 영역(121)의 길이(Lch1) 및 제2 영역(122)의 길이(Lch2) 변화에 따른 채널층(120) 전체의 저항(Rtotal)을 각각 측정하면 아래의 표 2과 같이 나타낼 수 있다.
| 제1 영역의 길이(μm) | 제2 영역의 길이(μm) | 채널층의 전체 저항(MΩ) |
| 0 | 60 | 3.73 |
| 4 | 56 | 29 |
| 10 | 50 | 90.1 |
| 20 | 40 | 145 |
| 40 | 20 | 286 |
또한, 표 2에서 제1 영역(121)의 길이(Lch1)에 따른 측정된 채널층(120)의 전체 저항값(Rtotal)을 그래프로 나타내면 도 11과 같이 나타낼 수 있다.
제1 실시예에서와 동일한 방식으로 제2 실시예에 따른 제1 영역(121)의 저항값(Rch1) 및 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 구하면 각각 71.437MΩ/□ 및 0.622MΩ/□의 저항값을 구할 수 있다.
또한, 계산된 제2 영역(122)의 저항값(Rch2)을 이용하여 제1 영역(121)의 길이(Rch1)가 각각 4μm, 10μm, 20μm 및 40μm일 때 채널층(120)의 최소 저항값을 구하면 각각 3.48MΩ, 3.11MΩ, 2.48MΩ 및 1.24MΩ의 최소 저항값을 구할 수 있다. 계산된 각각의 최소 저항값에 역수를 취해 최대 컨덕턴스를 구하면 각각 287nS, 321nS, 401nS 및 803nS의 최대 컨덕턴스를 구할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 계산된 최대 컨덕턴스를 비교하기 위한 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 4μm, 10μm, 20μm 및 40μm일 때의 컨덕턴스를 각각 측정하면 도 12의 (a),(b),(c) 및 (d)와 같이, 각각 273nS, 301nS, 363nS 및 663nS의 컨덕턴스가 측정되어 계산된 최대 컨덕턴스와 모두 유사한 컨덕턴스값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자는 채널층(120)이 가변저항 성분을 갖는 제1 영역(121)과 고정저항 성분을 갖는 제2 영역(122)을 포함하도록 하고, 제2 영역(122)의 고정저항 특성을 이용하여 최대 컨덕턴스를 예측할 수 있기 때문에 사용하고자 하는 목적에 맞게 소자의 구동 범위를 조절할 수 있다.
또한, 채널층(120)의 고정저항 성분에 의해 소자에 흐르는 최대 전류가 제한될 수 있기 때문에 과전류에 따른 소자의 파손(breakdown)이나 쇼트(short)에 대한 위험성을 방지할 수 있어 안정적으로 소자를 구동시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110 : 반도체 기판 120 : 채널층
121 : 채널층의 제1 영역 122 : 채널층의 제2 영역
130 : 소스 전극 140 : 드레인 전극
150 : 게이트 스택 151 : 중간층
152 : 이온 저장층 153 : 게이트 전극
121 : 채널층의 제1 영역 122 : 채널층의 제2 영역
130 : 소스 전극 140 : 드레인 전극
150 : 게이트 스택 151 : 중간층
152 : 이온 저장층 153 : 게이트 전극
Claims (14)
- 반도체 기판;
상기 반도체 기판 상부에 배치된 채널층;
상기 채널층을 사이에 두고 서로 이격되어 배치되되, 상기 채널층의 양측면에 각각 접하도록 배치된 소스 전극과 드레인 전극; 및
상기 채널층 상에 배치된 게이트 스택을 포함하고,
상기 채널층은 상기 게이트 스택과 겹치는 제1 영역 및 상기 게이트 스택으로부터 노출된 제2 영역을 포함하되,
상기 채널층의 최소 저항값은 상기 제1 영역에서의 저항값이 0일 때의 상기 채널층의 저항값인 것인 3단자 시냅스 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 영역은 가변저항 성분을 갖고, 상기 제2 영역은 고정저항 성분을 갖는 것인 3단자 시냅스 소자. - 제1항에 있어서,
상기 채널층의 전체 저항값은 상기 제1 영역의 저항값과 상기 제2 영역의 저항값을 합한 저항값인 것인 3단자 시냅스 소자. - 제1항에 있어서,
상기 채널층의 전체 저항값은 다음식
에 따르고,
여기서,
Rch1 : 상기 제1 영역의 저항값
Rch2 : 상기 제2 영역의 저항값
Lch1 : 상기 제1 영역의 길이
Lch : 상기 채널층의 전체 길이
Wch : 상기 채널층의 폭을 각각 나타내는 것인 3단자 시냅스 소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 게이트 스택 내에 형성된 활성 이온은, 상기 게이트 스택에서 상기 제1 영역으로 또는 상기 제1 영역에서 상기 게이트 스택으로 이동되는 것인 3단자 시냅스 소자. - 제1항에 있어서,
상기 채널층은 Pr0.7Ca0.3MNO3-x(0<x≤0.5) 또는 WOx(2.5≤x≤3) 중 어느 하나의 물질을 포함하는 3단자 시냅스 소자. - 제1항에 있어서, 상기 게이트 스택은,
상기 제1 영역 상에 배치된 중간층;
상기 중간층 상에 배치된 이온 저장층; 및
상기 이온 저장층 상에 배치된 게이트 전극을 포함하는 3단자 시냅스 소자. - 제8항에 있어서,
상기 제1 영역은 상기 중간층과 접하고, 상기 제2 영역은 상기 중간층으로부터 노출되는 것인 3단자 시냅스 소자. - 반도체 기판 상에 배치된 채널층이 게이트 스택과 겹치는 제1 영역 및 상기 게이트 스택으로부터 노출된 제2 영역을 포함하는 3단자 시냅스 소자에 있어서,
상기 제1 영역의 길이 변화에 따른 상기 채널층의 전체 저항값을 각각 측정하는 단계;
상기 측정된 채널층의 전체 저항값을 이용하여 상기 제2 영역의 저항값을 도출하는 단계;
상기 도출된 제2 영역의 저항값을 이용하여 상기 제1 영역의 저항값을 계산하는 단계;
상기 채널층의 최소 저항값을 계산하는 단계; 및
상기 최소 저항값을 이용하여 상기 채널층의 최대 컨덕턴스값을 계산하는 단계를 포함하고,
상기 채널층의 최소 저항값을 계산하는 단계에서,
상기 채널층의 최소 저항값은 상기 제1 영역에서의 저항값이 0일 때의 상기 채널층의 저항값인 것인 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스 제한 방법. - 제10항에 있어서, 상기 채널층의 전체 저항값을 각각 측정하는 단계는,
상기 측정된 채널층의 전체 저항값을 이용하여 추세선(trend line)을 설정하는 단계를 더 포함하는 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스 제한 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 영역의 저항값 및 상기 최소 저항값을 계산하는 단계는 다음식
에 따르고,
여기서,
Rch1 : 상기 제1 영역의 저항값
Rch2 : 상기 제2 영역의 저항값
Lch1 : 상기 제1 영역의 길이
Lch : 상기 채널층의 전체 길이
Wch : 상기 채널층의 폭을 각각 나타내는 것인 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스 제한 방법. - 삭제
- 제10항에 있어서, 상기 게이트 스택은,
상기 제1 영역 상에 배치된 중간층;
상기 중간층 상에 배치된 이온 저장층; 및
상기 이온 저장층 상에 배치된 게이트 전극을 포함하는 3단자 시냅스 소자의 최대 컨덕턴스 제한 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210012982A KR102481915B1 (ko) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210012982A KR102481915B1 (ko) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220109685A KR20220109685A (ko) | 2022-08-05 |
| KR102481915B1 true KR102481915B1 (ko) | 2022-12-26 |
Family
ID=82826459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210012982A KR102481915B1 (ko) | 2021-01-29 | 2021-01-29 | 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102481915B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005229069A (ja) | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置の評価方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101425857B1 (ko) | 2012-09-06 | 2014-07-31 | 서울대학교산학협력단 | 시냅스 모방 반도체 소자 및 그 동작방법 |
| US10090461B2 (en) * | 2014-06-26 | 2018-10-02 | Intel Corporation | Oxide-based three-terminal resistive switching logic devices |
| KR101811108B1 (ko) * | 2015-12-16 | 2017-12-26 | 포항공과대학교 산학협력단 | 부도체-도체 전이현상을 이용한 뉴런 소자를 포함한 고집적 뉴로모픽 시스템 및 고집적 뉴로모픽 회로 |
| KR20200115722A (ko) * | 2019-03-14 | 2020-10-08 | 포항공과대학교 산학협력단 | 3단자 시냅스 소자 및 이의 제조 방법 |
-
2021
- 2021-01-29 KR KR1020210012982A patent/KR102481915B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005229069A (ja) | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置の評価方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220109685A (ko) | 2022-08-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI790363B (zh) | 半導體裝置及積和運算裝置 | |
| KR102051041B1 (ko) | 3단자 시냅스 소자 및 그 동작방법 | |
| KR20200115722A (ko) | 3단자 시냅스 소자 및 이의 제조 방법 | |
| US8391049B2 (en) | Resistor structure for a non-volatile memory device and method | |
| KR20150014577A (ko) | 비휘발성 메모리 트랜지스터 및 이를 포함하는 소자 | |
| KR20170138047A (ko) | 뉴런 모방 소자 및 회로 | |
| US11462647B2 (en) | Floating gate memristor device and neuromorphic device having the same | |
| WO2010144092A1 (en) | Capacitive crossbar arrays | |
| US20210035641A1 (en) | Non-volatile memory device and operating method of the same | |
| KR102481915B1 (ko) | 3단자 시냅스 소자 및 이를 이용한 최대 컨덕턴스 제한 방법 | |
| WO2021083690A1 (en) | Electrochemical device of variable electrical conductance | |
| KR102415183B1 (ko) | 3단자 저항변화소자 기반 발화형 뉴런회로 및 이의 동작 방법 | |
| KR102619356B1 (ko) | 단위 시냅스를 위한 커패시터 소자, 단위 시냅스 및 커패시터 기반의 시냅스 어레이 | |
| An et al. | A three-dimensional (3D) memristive spiking neural network (M-SNN) system | |
| US20230231030A1 (en) | Neurons and synapses with ferroelectrically modulated metal-semiconductor schottky diodes and method | |
| KR102538496B1 (ko) | 3단자 시냅스 소자를 이용한 뉴로모픽 시스템 | |
| CN114730841A (zh) | 电容性突触部件及其控制方法 | |
| KR102641821B1 (ko) | 발열 소자가 집적화 된 이온 기반 3단자 시냅스 소자, 이를 구비하는 3단자 시냅스 어레이 및 이의 동작 방법 | |
| US20230172080A1 (en) | Three-terminal synaptic device | |
| US20200394502A1 (en) | Neuromorphic computing device | |
| KR102493039B1 (ko) | 3단자 시냅스 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR102567236B1 (ko) | 자가 게이트 효과를 이용한 이단자 메모리 소자 및 이의 제조방법 | |
| US11521678B2 (en) | Synapse and synaptic array, and computing system using the same and driving method thereof | |
| US20230282275A1 (en) | Ferroelectric-based synaptic device and method of operating the synaptic device, and 3d synaptic device stack using the synaptic devices | |
| KR102370745B1 (ko) | 변동 저저항 영역 기반 메모리 소자 및 이의 제어 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |