KR102556818B1 - Synapse and neuromorphic device including the same - Google Patents
Synapse and neuromorphic device including the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102556818B1 KR102556818B1 KR1020160146566A KR20160146566A KR102556818B1 KR 102556818 B1 KR102556818 B1 KR 102556818B1 KR 1020160146566 A KR1020160146566 A KR 1020160146566A KR 20160146566 A KR20160146566 A KR 20160146566A KR 102556818 B1 KR102556818 B1 KR 102556818B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- synapse
- voltage
- oxygen
- layer
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
-
- 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
- G06N3/04—Architecture, e.g. interconnection topology
- G06N3/049—Temporal neural networks, e.g. delay elements, oscillating neurons or pulsed inputs
Abstract
시냅스 및 뉴로모픽 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스는, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, P형 물질을 포함하는 산소 보유층; 상기 산소 보유층과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 상기 산소 보유층의 산소 이온과 반응할 수 있는 반응성 금속층; 및 상기 반응성 금속층과 상기 산소 보유층 사이에 개재되어 상기 산소 보유층으로부터 상기 반응성 금속층으로의 산소 이온 이동을 방해하고, N형 물질을 포함하는 산소 확산 저지층을 포함하고, 상기 산소 보유층과 상기 산소 확산 저지층은, P-N 접합을 형성할 수 있다.Synaptic and neuromorphic devices are provided. Synapse according to an embodiment of the present invention, the first electrode; a second electrode spaced apart from the first electrode; an oxygen retaining layer interposed between the first electrode and the second electrode and containing a P-type material; a reactive metal layer interposed between the oxygen retaining layer and the second electrode and capable of reacting with oxygen ions of the oxygen retaining layer; and an oxygen diffusion barrier layer interposed between the reactive metal layer and the oxygen retaining layer to prevent the movement of oxygen ions from the oxygen retaining layer to the reactive metal layer, and including an N-type material, The oxygen diffusion barrier layer can form a P-N junction.
Description
본 특허 문헌은 인간의 신경계를 모사하는 뉴로모픽 장치 및 이들의 응용에 관한 것이다.This patent document relates to neuromorphic devices that mimic the human nervous system and their applications.
최근 전자기기의 소형화, 저전력화, 고성능화, 다양화 등에 따라, 대용량의 정보를 효율적으로 처리할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 특히, 인간의 신경계를 모사하는 뉴로모픽 기술(neuromorphic technology)에 관한 관심이 증대되고 있다. 인간의 신경계에는 수천억 개의 뉴런(neuron)과 뉴런 사이의 접합부인 시냅스(synapse)가 존재한다. 뉴로모픽 기술에서는 이러한 뉴런과 시냅스에 각각 대응하는 뉴런 회로와 시냅스 회로를 설계함으로써 뉴로모픽 장치를 구현하고자 한다. 뉴로모픽 장치는 데이터 분류, 패턴 인식 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.Recently, technology capable of efficiently processing a large amount of information is required due to miniaturization, low power consumption, high performance, and diversification of electronic devices. In particular, interest in neuromorphic technology that mimics the human nervous system is increasing. In the human nervous system, there are hundreds of billions of neurons and synapses, which are junctions between neurons. Neuromorphic technology aims to implement a neuromorphic device by designing a neuron circuit and a synapse circuit corresponding to these neurons and synapses, respectively. Neuromorphic devices can be used in various fields such as data classification and pattern recognition.
본 발명의 실시예들이 해결하려는 과제는, 대칭성 및 선형성이 향상된 시냅스 및 이를 포함하는 뉴로모픽 장치를 제공하는 것이다.An object to be solved by embodiments of the present invention is to provide a synapse with improved symmetry and linearity and a neuromorphic device including the synapse.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스는, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, P형 물질을 포함하는 산소 보유층; 상기 산소 보유층과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 상기 산소 보유층의 산소 이온과 반응할 수 있는 반응성 금속층; 및 상기 반응성 금속층과 상기 산소 보유층 사이에 개재되어 상기 산소 보유층으로부터 상기 반응성 금속층으로의 산소 이온 이동을 방해하고, N형 물질을 포함하는 산소 확산 저지층을 포함하고, 상기 산소 보유층과 상기 산소 확산 저지층은, P-N 접합을 형성할 수 있다.Synapse according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, the first electrode; a second electrode spaced apart from the first electrode; an oxygen retaining layer interposed between the first electrode and the second electrode and containing a P-type material; a reactive metal layer interposed between the oxygen retaining layer and the second electrode and capable of reacting with oxygen ions of the oxygen retaining layer; and an oxygen diffusion barrier layer interposed between the reactive metal layer and the oxygen retaining layer to prevent the movement of oxygen ions from the oxygen retaining layer to the reactive metal layer, and including an N-type material, The oxygen diffusion barrier layer can form a P-N junction.
위 실시예에 있어서, 상기 시냅스는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압 또는 전류에 따라, 상기 복수의 반응성 금속층 중 적어도 하나가 상기 산소 이온과 반응하여 대응하는 상기 산소 확산 저지층상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 제1 극성의 리셋 전압이 인가되는 경우, 상기 산소 확산 저지층과의 계면에서 상기 반응성 금속층에 절연성 산화물층이 생성 또는 그 두께가 증가하는 리셋 동작이 수행되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 상기 제1 극성과 상이한 제2 극성의 셋 전압이 인가되는 경우, 상기 절연성 산화물층이 소멸 또는 그 두께가 감소하는 셋 동작이 수행될 수 있다. 상기 리셋 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되고, 상기 셋 동작시, 상기 P-N 접합에 순방향 전압이 인가될 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 상기 리셋 전압보다 작은 크기를 가지면서 상기 제1 극성의 리드 전압이 인가되어 리드 동작이 수행될 수 있다. 상기 리드 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가될 수 있다. 상기 절연성 산화물층의 두께가 증가할수록 전도도가 감소하고, 상기 절연성 산화물층의 두께가 감소할수록 전도도가 증가할 수 있다. 상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록 상기 절연성 산화물층의 두께가 증가하고, 상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록 상기 절연성 산화물층의 두께가 감소할 수 있다. 상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖고, 상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 가질 수 있다. 상기 산소 확산 저지층은, 상기 산소 이온의 이동을 완전히 차단하지 않는 두께를 가질 수 있다. 상기 산소 확산 저지층은, 절연 물질, 반도체 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극을 통하여 인가되는 제1 극성의 전기적 펄스의 개수가 증가할수록 전도도가 감소하는 억제 동작이 수행되는 경우, 상기 제1 극성과 상이한 제2 극성의 전기적 펄스의 개수가 증가할수록 전도도가 증가하는 강화 동작이 수행될 수 있다. 상기 강화 동작시의 전도도와 상기 억제 동작시의 전도도가 실질적으로 대칭일 수 있다. 상기 강화 동작 및 상기 억제 동작 각각에서, 전도도의 변화율이 실질적으로 일정할 수 있다. 상기 제1 극성의 전기적 펄스 및 상기 제2 극성의 전기적 펄스 각각은, 일정한 폭 및 일정한 크기를 가질 수 있다. 상기 제1 극성의 전기적 펄스 및 상기 제2 극성의 전기적 펄스 각각의 폭 및 크기 중 적어도 하나가 소정 임계값 미만인 경우, 전도도가 변하지 않을 수 있다.In the above embodiment, the synapse, according to the voltage or current applied to the first electrode and the second electrode, at least one of the plurality of reactive metal layers reacts with the oxygen ions to the corresponding oxygen diffusion barrier layer When a reset voltage of a first polarity is applied through the first electrode and the second electrode, a reset operation is performed in which an insulating oxide layer is formed on the reactive metal layer or its thickness is increased at the interface with the oxygen diffusion barrier layer. And, when a set voltage of a second polarity different from the first polarity is applied through the first electrode and the second electrode, a set operation in which the insulating oxide layer disappears or its thickness is reduced may be performed. During the reset operation, a reverse voltage may be applied to the P-N junction, and during the set operation, a forward voltage may be applied to the P-N junction. A read operation may be performed by applying a read voltage of the first polarity while having a magnitude smaller than the reset voltage through the first electrode and the second electrode. During the read operation, a reverse voltage may be applied to the P-N junction. As the thickness of the insulating oxide layer increases, conductivity may decrease, and as the thickness of the insulating oxide layer decreases, conductivity may increase. During the reset operation, the thickness of the insulating oxide layer increases as the number of pulses of the reset voltage increases, and during the set operation, the thickness of the insulating oxide layer decreases as the number of pulses of the set voltage increases. there is. During the reset operation, the pulse of the reset voltage may have a constant width and a certain size, and during the set operation, the pulse of the set voltage may have a constant width and a certain size. The oxygen diffusion barrier layer may have a thickness that does not completely block the movement of the oxygen ions. The oxygen diffusion barrier layer may include an insulating material, a semiconductor material, or a combination thereof. When a suppression operation in which conductivity decreases as the number of electrical pulses of the first polarity applied through the first and second electrodes increases, as the number of electrical pulses of the second polarity different from the first polarity increases, A strengthening operation in which the conductivity increases may be performed. A conductivity during the reinforcing operation and a conductivity during the suppressing operation may be substantially symmetrical. In each of the strengthening operation and the suppressing operation, a rate of change in conductivity may be substantially constant. Each of the electric pulse of the first polarity and the electric pulse of the second polarity may have a constant width and a certain size. When at least one of a width and a size of each of the electric pulse of the first polarity and the electric pulse of the second polarity is less than a predetermined threshold value, conductivity may not change.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 장치는, 제1 뉴런; 제2 뉴런; 상기 제1 뉴런에 연결되고, 제1 방향으로 연장하는 제1 배선; 상기 제2 뉴런에 연결되고, 상기 제1 배선과 교차하도록 제2 방향으로 연장하는 제2 배선; 및 상기 제1 배선과 상기 제2 배선의 사이에서 상기 제1 배선과 상기 제2 배선의 교차점에 위치하는 시냅스를 포함하고, 상기 시냅스는, P형 물질을 포함하는 산소 보유층; 상기 산소 보유층과 상기 제2 배선 사이에 개재되고, 상기 산소 보유층의 산소 이온과 반응할 수 있는 반응성 금속층; 및 상기 반응성 금속층과 상기 산소 보유층 사이에 개재되어 상기 산소 보유층으로부터 상기 반응성 금속층으로의 산소 이온 이동을 방해하고, N형 물질을 포함하는 산소 확산 저지층을 포함하고, 상기 산소 보유층과 상기 산소 확산 저지층은, P-N 접합을 형성할 수 있다. In addition, a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention for solving the above problems includes a first neuron; second neuron; a first wire connected to the first neuron and extending in a first direction; a second wire connected to the second neuron and extending in a second direction to cross the first wire; and a synapse between the first wire and the second wire and located at an intersection of the first wire and the second wire, wherein the synapse comprises: an oxygen retaining layer containing a P-type material; a reactive metal layer interposed between the oxygen retaining layer and the second wire and capable of reacting with oxygen ions of the oxygen retaining layer; and an oxygen diffusion barrier layer interposed between the reactive metal layer and the oxygen retaining layer to prevent the movement of oxygen ions from the oxygen retaining layer to the reactive metal layer, and including an N-type material, The oxygen diffusion barrier layer can form a P-N junction.
위 실시예에 있어서, 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통하여 상기 시냅스에 제1 극성의 리셋 전압이 인가되는 경우, 상기 산소 확산 저지층과의 계면에서 상기 반응성 금속층에 절연성 산화물층이 생성 또는 그 두께가 증가하는 리셋 동작이 수행되고, 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통하여 상기 시냅스에 상기 제1 극성과 상이한 제2 극성의 셋 전압이 인가되는 경우, 상기 절연성 산화물층이 소멸 또는 그 두께가 감소하는 셋 동작이 수행될 수 있다. 상기 리셋 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되고, 상기 셋 동작시, 상기 P-N 접합에 순방향 전압이 인가될 수 있다. 상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통하여 상기 시냅스에 상기 리셋 전압보다 작은 크기를 가지면서 상기 리셋 전압과 동일한 상기 제1 극성의 리드 전압이 인가되어 리드 동작이 수행될 수 있다. 상기 리드 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가될 수 있다. 상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록, 상기 절연성 산화물층의 두께가 증가하고, 상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록, 상기 절연성 산화물층의 두께가 감소할 수 있다. 상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖고, 상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 가질 수 있다.In the above embodiment, when a reset voltage of a first polarity is applied to the synapse through the first wire and the second wire, an insulating oxide layer is formed on the reactive metal layer at the interface with the oxygen diffusion barrier layer, or When a reset operation is performed to increase the thickness, and a set voltage of a second polarity different from the first polarity is applied to the synapse through the first wire and the second wire, the insulating oxide layer disappears or the A set operation in which the thickness decreases may be performed. During the reset operation, a reverse voltage may be applied to the P-N junction, and during the set operation, a forward voltage may be applied to the P-N junction. A read operation may be performed by applying a read voltage of the first polarity having a magnitude smaller than the reset voltage and having the same polarity as the reset voltage to the synapse through the first wire and the second wire. During the read operation, a reverse voltage may be applied to the P-N junction. During the reset operation, as the number of pulses of the reset voltage increases, the thickness of the insulating oxide layer increases, and during the set operation, as the number of pulses of the set voltage increases, the thickness of the insulating oxide layer decreases. can do. During the reset operation, the pulse of the reset voltage may have a constant width and a certain size, and during the set operation, the pulse of the set voltage may have a constant width and a certain size.
상술한 본 발명의 실시예들에 의하면, 시냅스의 대칭성 및 선형성을 향상시킬 수 있고 그에 따라 뉴로모픽 장치의 동작 특성을 향상시킬 수 있다.According to the above-described embodiments of the present invention, symmetry and linearity of the synapse can be improved, and thus the operating characteristics of the neuromorphic device can be improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 장치 및 그 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 각 시냅스에 요구되는 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 비교예의 시냅스를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 시냅스의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a는 도 4의 시냅스의 리셋 동작을 설명하기 위한 단면도이고, 도 5b는 도 4의 시냅스의 셋 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a는 도 4의 시냅스가 고저항 상태인 경우의 리드 동작을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6b는 도 4의 시냅스가 저저항 상태인 경우의 리드 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템의 일 예이다.1 is a diagram for explaining a neuromorphic device and an operating method thereof according to an embodiment of the present invention.
2a to 2d are views for explaining characteristics required for each synapse of FIG. 1 .
3A is a cross-sectional view for explaining the synapse of Comparative Example, and FIGS. 3B and 3C are views for explaining the characteristics of the synapse of FIG. 3A.
4 is a cross-sectional view for explaining a synapse according to an embodiment of the present invention.
5A is a cross-sectional view illustrating a reset operation of the synapse of FIG. 4 , and FIG. 5B is a cross-sectional view illustrating a set operation of the synapse of FIG. 4 .
6A is a cross-sectional view illustrating a read operation when the synapse of FIG. 4 is in a high-resistance state, and FIG. 6B is a cross-sectional view illustrating a read operation when the synapse of FIG. 4 is in a low-resistance state.
7 is an example of a pattern recognition system according to an embodiment of the present invention.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예들이 상세히 설명된다. Hereinafter, various embodiments are described in detail with reference to the accompanying drawings.
도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예들의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1 층이 제2 층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1 층이 제2 층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1 층과 제2 층 사이 또는 제1 층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.The drawings are not necessarily drawn to scale, and in some instances, the proportions of at least some of the structures shown in the drawings may be exaggerated in order to clearly show characteristics of the embodiments. When a multi-layered structure having two or more layers is disclosed in the drawings or detailed description, the relative positional relationship or arrangement order of the layers as shown only reflects a specific embodiment, so the present invention is not limited thereto, and the relative positioning of the layers Relationships or arrangement order may vary. Further, the drawings or detailed descriptions of multi-layer structures may not reflect all of the layers present in a particular multi-layer structure (eg, there may be one or more additional layers between two layers shown). For example, where a first layer is on a second layer or on a substrate in a multilayer structure in a drawing or description, it is indicated that the first layer may be formed directly on the second layer or directly on the substrate. In addition, cases where one or more other layers are present between the first layer and the second layer or between the first layer and the substrate may be indicated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 장치 및 그 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining a neuromorphic device and an operating method thereof according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴로모픽 장치는 복수의 프리 시냅틱 뉴런(presynaptic neuron, 10), 복수의 포스트 시냅틱 뉴런(postsynaptic neuron, 20), 및 복수의 프리 시냅틱 뉴런(10)과 복수의 포스트 시냅틱 뉴런(20) 사이의 각각의 연결을 제공하는 시냅스(30)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , a neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of presynaptic neurons (10), a plurality of postsynaptic neurons (20), and a plurality of presynaptic neurons ( 10) and a plurality of
본 실시예의 뉴로모픽 장치는, 4개의 프리 시냅틱 뉴런(10), 4개의 포스트 시냅틱 뉴런(20) 및 16개의 시냅스(30)를 포함하고 있으나, 이들 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 프리 시냅틱 뉴런(10)의 개수가 N개(여기서, N은 2 이상의 자연수임)이고, 포스트 시냅틱 뉴런(20)의 개수가 M개(여기서, M은 2 이상의 자연수이고, N과 같거나 다를 수 있음)인 경우, N*M개의 시냅스(30)가 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이를 위하여, 복수의 프리 시냅틱 뉴런(10) 각각과 연결되고 제1 방향 예컨대, 가로 방향으로 연장하는 배선(12)과, 복수의 포스트 시냅틱 뉴런(20) 각각과 연결되고 제1 방향과 교차하는 제2 방향 예컨대, 세로 방향으로 연장하는 배선(22)이 제공될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 제1 방향으로 연장하는 배선(12)을 로우 배선(row line)이라 하고, 제2 방향으로 연장하는 배선(22)을 컬럼 배선(column line)이라 하기로 한다. 복수의 시냅스(30)는 로우 배선(12)과 컬럼 배선(22)의 교차점마다 배치되어 대응하는 로우 배선(12)과 대응하는 컬럼 배선(22)을 서로 연결시킬 수 있다. The neuromorphic device of this embodiment includes 4 pre-synaptic
프리 시냅틱 뉴런(10)은 신호 예컨대, 특정 데이터에 해당하는 신호를 생성하여 로우 배선(12)으로 보내는 역할을 수행하고, 포스트 시냅틱 뉴런(20)은 시냅스 소자(30)를 거친 시냅틱 신호를 컬럼 배선(22)을 통하여 수신하고 처리하는 역할을 수행할 수 있다. 로우 배선(12)은 프리 시냅틱 뉴런(10)의 액손(axon)에 대응하고, 컬럼 배선(22)은 포스트 시냅틱 뉴런(20)의 덴드라이트(dendrite)에 대응할 수 있다. 그러나, 프리 시냅틱 뉴런인지 포스트 시냅틱 뉴런인지 여부는 다른 뉴런과의 상대적인 관계에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 프리 시냅틱 뉴런(10)이 다른 뉴런과의 관계에서 시냅틱 신호를 수신하는 경우 포스트 시냅틱 뉴런으로 기능할 수 있다. 유사하게, 포스트 시냅틱 뉴런(20)이 다른 뉴런과의 관계에서 신호를 보내는 경우 프리 시냅틱 뉴런으로 기능할 수 있다. 프리 시냅틱 뉴런(10) 및 포스트 시냅틱 뉴런(20)은 CMOS 등 다양한 회로로 구현될 수 있다.The
프리 시냅틱 뉴런(10)과 포스트 시냅틱 뉴런(20) 사이의 연결은 시냅스(30)를 통하여 이루어질 수 있다. 여기서, 시냅스(30)는 양단에 인가되는 전기적 펄스 예컨대, 전압 또는 전류에 따라 전기적 전도도(electrical conductance) 혹은 가중치(weight)가 변하는 소자이다. A connection between the
시냅스(30)는 예컨대, 가변 저항 소자를 포함할 수 있다. 가변 저항 소자는 양단에 인가되는 전압 또는 전류에 따라 서로 다른 저항 상태 사이에서 스위칭할 수 있는 소자로서, 복수의 저항 상태를 가질 수 있는 다양한 물질 예컨대, 전이 금속 산화물, 페로브스카이트(perovskite)계 물질 등과 같은 금속 산화물, 칼코게나이드(chalcogenide)계 물질 등과 같은 상변화 물질, 강유전 물질, 강자성 물질 등을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 가변 저항 소자 및/또는 시냅스(30)가 고저항 상태에서 저저항 상태로 변하는 동작을 셋(set) 동작이라 하고, 저저항 상태에서 고저항 상태로 변하는 동작을 리셋(reset) 동작이라 할 수 있다. The
단, 뉴로모픽 장치의 시냅스(30)는, RRAM, PRAM, FRAM, MRAM 등의 메모리 장치에 이용되는 가변 저항 소자와 달리, 셋 동작과 리셋 동작에서 급격한(abrupt) 저항 변화가 없고, 입력되는 전기적 펄스의 개수에 따라 전도도가 점진적으로 변화하는 아날로그 거동(analog behavior)을 보이는 등, 메모리에서의 가변 저항 소자와 구별되는 여러가지 특성을 갖도록 구현될 수 있다. 이는 메모리에서 가변 저항 소자에 요구되는 특성과 뉴로모픽 장치에서 시냅스(30)에 요구되는 특성이 서로 상이하기 때문이다. 참고로, 메모리에 이용되는 가변 저항 소자는 전기적 펄스가 반복하여 인가되더라도, 셋 동작 또는 리셋 동작이 수행되기 전에는 자신의 전도도를 유지하는 것이 바람직하다. 저저항 상태와 고저항 상태 사이의 구분을 명확하게 하여 서로 다른 데이터를 저장하기 위함이다. 뉴로모픽 장치에 적합한 시냅스(30)의 특성에 관하여는 후술하는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.However, unlike the variable resistance element used in memory devices such as RRAM, PRAM, FRAM, and MRAM, the
한편, 위와 같은 뉴로모픽 장치의 학습 동작을 예시적으로 설명하면 다음과 같다. 설명의 편의를 위하여, 로우 배선(12)을 위에서부터 제1 로우 배선(12A), 제2 로우 배선(12B), 제3 로우 배선(12C) 및 제4 로우 배선(12D)이라 하고, 컬럼 배선(22)을 왼쪽에서부터 제1 컬럼 배선(22A), 제2 컬럼 배선(22B), 제3 컬럼 배선(22C) 및 제4 컬럼 배선(22D)이라 할 수 있다.Meanwhile, the learning operation of the above neuromorphic device will be exemplarily described as follows. For convenience of description, the
최초 상태에서, 시냅스(30) 전부는 고저항 상태에 있을 수 있다. 시냅스(30)의 적어도 일부가 저저항 상태인 경우, 이들을 고저항 상태로 만드는 초기화 동작이 추가로 필요할 수 있다. 시냅스(30) 각각은 소정의 임계값을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 각 시냅스(30)의 양단에 소정 임계값보다 작은 크기의 전압 또는 전류가 인가되면 시냅스(30)의 전도도는 변하지 않고, 시냅스(30)에 소정 임계값 이상의 전압 또는 전류가 인가되면 시냅스(30)의 전도도는 변화할 수 있다.In its initial state, all of the
이 상태에서, 특정 데이터를 특정 컬럼 배선(22)에 학습하는 동작을 수행하기 위하여, 특정 데이터에 해당하는 입력 신호가 로우 배선(12)으로 들어올 수 있다. 입력 신호는 로우 배선(12) 각각에 대한 전기적 펄스의 인가로 나타날 수 있다. 일례로서, 로우 배선(12)으로 '0011'의 데이터에 해당하는 입력 신호가 들어오는 경우, '0'에 대응하는 로우 배선(12) 예컨대, 제1 및 제2 로우 배선(12A, 12B)에는 전기적 펄스가 인가되지 않고, '1'에 대응하는 로우 배선(12) 예컨대, 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)에만 전기적 펄스가 인가될 수 있다. In this state, in order to perform an operation of learning specific data to the
이때, 컬럼 배선(22)은 학습을 위하여 적절한 전압 또는 전류로 구동될 수 있다. At this time, the
일례로서, 특정 데이터를 학습할 컬럼 배선(22)이 이미 정하여진 경우, 이 컬럼 배선(22)은 '1'에 대응하는 로우 배선(12)과의 교차점에 위치하는 시냅스(30)가 셋 동작시 요구되는 전압(이하, 셋 전압) 이상의 크기를 갖는 전압을 인가받도록 구동되고, 나머지 컬럼 배선(22)은 나머지 시냅스(30)가 셋 전압보다 작은 크기의 전압을 인가받도록 구동될 수 있다. 예컨대, 셋 전압의 크기가 Vset이고, '0011'의 데이터를 학습할 컬럼 배선(22)이 제3 컬럼 배선(22C)으로 정하여진 경우, 제3 컬럼 배선(22C)과 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)과의 교차점에 위치하는 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)가 Vset 이상의 전압을 인가받도록, 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)에 인가되는 전기적 펄스의 크기는 Vset 이상일 수 있고 제3 컬럼 배선(22C)에 인가되는 전압은 0V일 수 있다. 그에 따라 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)는 저저항 상태가 될 수 있다. 저저항 상태의 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)의 전도도는 전기적 펄스의 개수가 증가할수록 점진적으로 증가할 수 있다. 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)를 제외한 나머지 시냅스(30)는 Vset 보다 작은 전압을 인가받도록, 나머지 컬럼 배선 즉, 제1, 제2 및 제4 컬럼 배선(22A, 22B, 22D)에 인가되는 전압은 0V와 Vset 사이의 값 예컨대, 1/2Vset의 값을 가질 수 있다. 그에 따라, 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)를 제외한 나머지 시냅스(30)의 저항 상태는 변화하지 않을 수 있다. As an example, when the
위와 같은 방식으로 로우 배선(12) 및 컬럼 배선(22)이 구동되면, 전기적 펄스를 인가받는 시냅스(30) 예컨대, 제3 및 제4 로우 배선(12C, 12D)과 제3 컬럼 배선(22C)의 교차점에 위치하는 제1 및 제2 시냅스(30A, 30B)의 전도도가 점진적으로 증가하면서 이들을 통하여 제3 컬럼 배선(22C)으로 흐르는 전류가 증가할 수 있다. 제3 컬럼 배선(22C)에 흐르는 전류를 측정하여, 이 전류가 소정 임계 전류에 도달하면 제3 컬럼 배선(22C)은 '특정 데이터를 학습한 컬럼 배선' 예컨대, '0011'의 데이터를 학습한 컬럼 배선이 될 수 있다. When the
다른 일례로서, 특정 데이터를 학습할 컬럼 배선(22)이 정하여져 있지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 특정 데이터에 해당하는 전기적 펄스를 로우 배선(12)으로 인가하면서 컬럼 배선(22) 각각에 흐르는 전류를 측정하여 가장 먼저 소정 임계 전류에 도달하는 컬럼 배선(22)이 특정 데이터를 학습한 컬럼 배선(22)이 될 수 있다. As another example, the
이상으로 설명한 방식에 의하여, 서로 다른 데이터가 서로 다른 컬럼 배선(22)에 각각 학습될 수 있다.According to the method described above, different data can be learned to
한편, 위의 학습 과정에서는 고저항 상태의 시냅스(30)를 저저항 상태로 변경시키는 셋 동작 및 그 전도도를 증가시키는 동작에 대하여만 설명하였으나, 필요에 따라, 저저항 상태의 시냅스(30)를 다시 고저항 상태로 변경시키는 리셋 동작 및 그 전도도를 감소시키는 동작이 요구될 수도 있다. 예를 들어, 전술한 초기화 동작이 그러하다. 시냅스(30)의 셋 동작 및 전도도 증가시 인가되는 펄스의 극성은, 시냅스(30)의 리셋 동작 및 전도도 감소시 인가되는 펄스의 극성과 반대일 수 있다. 시냅스(30)의 전도도가 증가하는 동작을 강화(potentiation) 동작이라 할 수 있고, 시냅스(30)의 전도도가 감소하는 동작을 억제(depression) 동작라 할 수 있다.On the other hand, in the above learning process, only the set operation for changing the
한편, 위와 같은 뉴로모픽 장치에 적합한 시냅스(30)의 특성을 아래의 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.On the other hand, the characteristics of the
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 각 시냅스(30)에 요구되는 특성을 설명하기 위한 도면이다. 2a to 2d are diagrams for explaining characteristics required for each
구체적으로, 도 2a 및 도 2b는 시냅스(30)에 입력되는 전기적 펄스의 개수에 따른 시냅스(30)의 전도도(G)를 나타낸다. 도 2c는 시냅스(30)의 저항(R) 또는 전도도(G)에 따른 시냅스의 가중치 변화율(△W)을 나타낸다. 도 2d는 시냅스(30)에 인가되는 전압(V)의 크기에 따른 시냅스(30)의 가중치 변화율(△W)을 나타낸다.Specifically, FIGS. 2A and 2B show the conductivity (G) of the
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 저저항 상태의 시냅스(30)에 대해, 소정 임계값 이상을 갖는 제1 극성의 전압 펄스 예컨대, 음전압의 펄스를 반복하여 인가하는 경우, 시냅스(30)의 전도도(G)는 점차 증가할 수 있다. 시냅스(30)의 전도도(G)가 증가하는 방향을 G+ 방향 또는 강화(potentiation) 방향이라 할 수 있다. Referring to FIGS. 2A and 2B , when a voltage pulse of a first polarity having a predetermined threshold value or more, for example, a negative voltage pulse is repeatedly applied to the
이러한 시냅스(30)에 리셋 전압 이상의 크기를 갖는 제2 극성의 전압 펄스 예컨대, 양전압의 펄스가 인가되면 시냅스(30)의 저항 상태가 고저항 상태로 변하는 리셋 동작이 수행될 수 있다.When a voltage pulse of the second polarity having a magnitude greater than or equal to the reset voltage, for example, a positive voltage pulse is applied to the
고저항 상태의 시냅스(30)에 대해, 제2 극성의 전압 펄스가 반복하여 인가되면, 시냅스(30)의 전도도(G)는 점차 감소할 수 있다. 시냅스(30)의 전도도(G)가 감소하는 방향을 G- 방향 또는 억제(depression) 방향이라 할 수 있다.For the
이러한 시냅스(30)에 다시 셋 전압 이상의 제1 극성의 전압 펄스가 인가되면, 시냅스(30)의 저항 상태가 저저항 상태로 변하는 셋 동작이 수행될 수 있다.When a voltage pulse of the first polarity equal to or higher than the set voltage is applied to the
이때, 펄스의 크기 및 폭이 일정하더라도, 강화 동작 및 억제 동작에서 시냅스(30)의 전도도(G)는 실질적으로 대칭이면서, 전도도(G)의 변화율이 실질적으로 일정한 것이 바람직할 수 있다. 다시 말하면, 강화 동작 및 억제 동작에서 시냅스(30)의 전도도(G)는 선형성 및 대칭성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 셋 동작 및 리셋 동작시, 시냅스(30)의 급격한 저항 변화를 방지하기 위함이다. 펄스의 크기 및/또는 폭을 가변시킴으로써 위와 같은 시냅스(30)의 선형성 및 대칭성을 확보하는 것도 고려할 수는 있으나, 다양한 펄스를 생성하기 위해서는 추가적인 회로의 구현이 필요하기 때문에, 면적이나 파워 측면에서 불리할 수 있다. 따라서, 본 시냅스(30)의 구동시 펄스의 크기 및 폭은 일정하게 제어되는 것이 바람직하다.At this time, even if the size and width of the pulse are constant, it may be preferable that the conductivity (G) of the
강화 동작 및 억제 동작에서 시냅스(30)의 전도도(G)가 선형성 및 대칭성을 갖는 것은, 가중치의 변화율이 작은 경우(△W1 참조)나 가중치의 변화율이 큰 경우(△W2 참조)에 관계없이 요구될 수 있다. 단, 펄스의 크기 혹은 폭이 충분하지 않은 경우, 펄스의 개수와 관계없이 시냅스(30)의 전도도(G)는 변화하지 않을 수 있다.In the reinforcing and inhibiting actions, it is required that the conductance (G) of the
도 2c를 참조하면, 시냅스(30)의 현재 상태와 관계 없이, 즉, 시냅스(30)의 현재 저항(R)이나 현재 전도도(G)와 관계 없이, 시냅스(30)의 가중치 변화율(△W)은 실질적으로 일정한 것이 바람직할 수 있다. Referring to FIG. 2C, regardless of the current state of the
도 2d를 참조하면, 소정 임계값 즉, V3 이하의 전압에서 시냅스(30)의 가중치 및/또는 전도도는 가변되지 않을 수 있다. 즉, 시냅스(30)의 가중치 변화율(△W)은 0일 수 있다. 반면, 소정 임계값보다 큰 전압 예컨대, V4 이상의 전압에서 시냅스(30)의 가중치 변화율(△W)은 증가할 수 있다. 이때, 시냅스(30)의 가중치 변화율(△W)은 전압의 크기에 실질적으로 비례하여 증가할 수 있다.Referring to FIG. 2D , the weight and/or conductivity of the
요약하자면, 뉴로모픽 장치의 시냅스(30)는, 전도도(G)가 시냅스(30)의 현재 상태와 관계 없이, 전기적 펄스의 개수에 실질적으로 비례하여 증가 또는 감소하는 특성을 갖고, 강화 동작시 전도도(G)와 억제 동작시 전도도(G)가 실질적으로 대칭인 것이 바람직하다. 여기서, 시냅스(30)의 전도도(G) 변화는 소정 임계값 이상에서만 가능한 것이 바람직하다. 시냅스(30)의 특성이 이에 가까울수록 뉴로모픽 장치의 학습 및 인식 정확도가 증가하는 등 동작 특성이 향상될 수 있기 때문이다.In summary, the
본 실시예에서는 위와 같은 특성을 최대한 만족시킬 수 있는 시냅스를 구현하고자 한다. 본 실시예의 설명에 앞서, 비교예의 시냅스를 먼저 설명하기로 한다.In this embodiment, it is intended to implement a synapse that can satisfy the above characteristics as much as possible. Prior to the description of this embodiment, the synapse of the comparative example will be described first.
도 3a는 비교예의 시냅스를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 시냅스의 특성을 설명하기 위한 도면이다.3A is a cross-sectional view for explaining the synapse of Comparative Example, and FIGS. 3B and 3C are views for explaining the characteristics of the synapse of FIG. 3A.
도 3a를 참조하면, 비교예의 시냅스(100)는, 제1 전극(110), 제2 전극(140), 제1 전극(110)과 제2 전극(140) 사이에 개재되는 산소 보유층(120), 및 산소 보유층(120)과 제2 전극(140) 사이에 개재되고 산소 보유층(120)의 산소와 반응할 수 있는 반응성 금속층(130)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3A , the
제1 및 제2 전극(110, 140)은 전압 또는 전류 인가를 위한 시냅스(100)의 단부로서, 금속, 금속 질화물 등 다양한 도전 물질로 형성될 수 있다. 제1 전극(110)은 도 1의 로우 배선(12) 및 컬럼 배선(22) 중 어느 하나와 연결될 수 있고, 제2 전극(140)은 도 1의 로우 배선(12) 및 컬럼 배선(22) 중 다른 하나와 연결됨으로써, 시냅스(100)는 전기적 펄스로 구동될 수 있다. 제1 및 제2 전극(110, 140) 중 적어도 하나는 생략될 수 있고, 이러한 경우, 로우 배선(12) 또는 컬럼 배선(22)이 제1 전극(110) 또는 제2 전극(140)을 대체할 수 있다.The first and
산소 보유층(120)은 산소를 포함하는 층으로서, Ti, Ni, Al, Nb, Hf, V 등과 같은 전이 금속의 산화물, PCMO, LCMO 등과 같은 페로브스카이트계 산화물 등 다양한 금속의 산화물을 포함할 수 있다. The
반응성 금속층(130)은 산소 이온과 반응하여 절연성의 산화물을 형성할 수 있는 층으로서, Al, Ti, Ta, Mo 등의 금속 또는 이 금속의 질화물을 포함할 수 있다. The
최초 상태에서, 시냅스(100)는 상대적으로 저저항 상태일 수 있다. 전술한 뉴로모픽 장치의 동작을 위하여 시냅스(100)를 고저항 상태로 만드는 초기화 동작이 필요할 수 있다.In the initial state, the
저저항 상태의 시냅스(100)에 제1 및 제2 전극(110, 140)을 통하여 소정 극성의 전압 펄스가 인가되면, 산소 보유층(120) 내의 산소 이온이 반응성 금속층(130) 쪽으로 이동하여 반응성 금속층(130) 내에 포함된 금속과 반응함으로써 반응성 금속층(130)과의 계면에서 절연성 산화물층을 형성할 수 있다. 결과적으로, 시냅스(100)의 저항 상태가 고저항 상태로 변경될 수 있다. 전압 펄스의 개수가 증가할수록 절연성 산화물층의 두께가 증가하므로 시냅스(100)의 전도도는 점진적으로 감소할 수 있다. When a voltage pulse of a predetermined polarity is applied to the
반대로, 고저항 상태의 시냅스(100)에 반대 극성의 전압 펄스가 인가되면, 산소 보유층(120) 내의 산소 이온은 반응성 금속층(130)의 반대쪽으로 이동하므로, 기 형성된 절연성 산화물층의 두께가 얇아질 수 있다. 결과적으로, 시냅스(100)의 저항 상태가 저저항 상태로 변경될 수 있다. 전압 펄스의 개수가 증가할수록 절연성 산화물층의 두께가 감소하므로 시냅스(100)의 전도도는 점진적으로 증가할 수 있다. Conversely, when a voltage pulse of opposite polarity is applied to the
이와 같은 방식으로 시냅스(100)가 고저항 상태와 저저항 상태 사이에서 스위칭하면서 전압 펄스에 의하여 산화물층의 두께가 점진적으로 증가 또는 감소하기 때문에, 고저항 상태 및 저저항 상태 각각에서 시냅스(100)의 전도도가 점진적으로 변화하는 아날로그 거동이 보여질 수 있다. 그러나, 도 2a 내지 도 2d에서 설명한 시냅스 특성을 만족시키기에는 부족할 수 있다. 이에 관하여는 도 3b 및 도 3c를 참조하여 설명하기로 한다.In this way, since the thickness of the oxide layer gradually increases or decreases by the voltage pulse while the
도 3b를 참조하면, 저저항 상태의 시냅스(100)에 제1 극성의 전압 펄스가 인가되는 경우, 전압 펄스의 개수가 증가할수록 시냅스(100)의 전도도(G)가 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 그런데, 전도도(G)의 증가율은 저저항 상태로 변경되는 셋 동작 초기에 매우 크고 시간이 지날수록 감소함을 알 수 있다. 따라서, 시냅스(100)의 선형성이 만족되지 않는 문제가 있다.Referring to FIG. 3B, when a voltage pulse of the first polarity is applied to the
또한, 저저항 상태의 시냅스(100)에 리셋 전압 이상의 크기를 갖는 제2 극성의 전압 펄스가 인가되면 시냅스(100)의 저항 상태가 고저항 상태로 변하는 리셋 동작이 수행될 수 있다. 고저항 상태의 시냅스(100)에 인가되는 전압 펄스의 개수가 증가할수록 시냅스(100)의 전도도(G)는 점진적으로 감소할 수 있다. 그런데, 리셋 동작시 급격한 전도도(G)의 감소가 발생함을 알 수 있다. 또한, 전도도(G)의 감소율은 리셋 동작 초기에 매우 크고 시간이 지날수록 감소함을 알 수 있다. 리셋 동작 초기의 전도도(G)의 감소 정도는 셋 동작 초기의 전도도(G)의 증가 정도보다 훨씬 더 클 수 있다. 따라서, 시냅스(100)의 선형성 및 대칭성이 만족되지 않는 문제가 있다.In addition, when a voltage pulse of the second polarity having a magnitude greater than or equal to the reset voltage is applied to the
도 3c를 참조하면, 시냅스(100)의 현재 저항(R)에 따라, 시냅스(100)의 가중치 변화율(△W)이 일정하지 않음을 알 수 있다. G+ 방향에서, 시냅스(100)의 현재 저항(R)이 상대적으로 큰 경우 예컨대, R5 혹은 R6의 값을 갖는 경우 시냅스(100)의 가중치 변화율(△W)이 증가할 수 있다. 다시 말하면, 상대적으로 저항(R)이 큰 셋 동작 초기에 시냅스(100)의 전도도 변화율이 클 수 있다. 반대로 G- 방향에서, 시냅스(100)의 현재 저항(R)이 상대적으로 작은 경우 예컨대, R1의 값을 갖는 경우 시냅스(100)의 가중치 변화율(△W)이 증가할 수 있다. 다시 말하면, 상대적으로 저항(R)이 작은 리셋 동작 초기에 시냅스(100)의 전도도 변화율이 클 수 있다. 이는 시냅스(100)의 선형성이 만족되지 않음을 보여준다.Referring to FIG. 3C , it can be seen that the weight change rate (ΔW) of the
게다가, 동작 초기에 G- 방향에서의 가중치 변화율(△W)이 G+ 방향에서의 가중치 변화율(△W)보다 더 큼을 알 수 있다. 즉, 시냅스(100)의 대칭성이 만족되지 않음을 보여준다.In addition, it can be seen that the weight change rate (ΔW) in the G- direction is greater than the weight change rate (ΔW) in the G+ direction at the beginning of the operation. That is, it shows that the symmetry of the
위와 같은 문제가 발생하는 것은, 셋 동작 및 리셋 동작 각각의 초기에 펄스 개수에 따른 시냅스(100)의 저항 변화율이 크고, 계면 산화물층이 소멸되는 셋 동작에 비하여 계면 산화물층이 생성되는 리셋 동작의 속도가 훨씬 더 크기 때문이다.The above problem occurs because the resistance change rate of the
본 실시예에서는 비교예의 문제점을 해결할 수 있는 시냅스를 제공하고자 한다.In this embodiment, it is intended to provide a synapse that can solve the problems of the comparative example.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스를 설명하기 위한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view for explaining a synapse according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시냅스(200)는, 제1 전극(210), 제2 전극(240), 제1 전극(210)과 제2 전극(240) 사이에 개재되는 산소 보유층(220), 산소 보유층(220)과 제2 전극(240) 사이에 개재되는 반응성 금속층(230), 및 반응성 금속층(230)과 산소 보유층(220) 사이에 개재되는 산소 확산 저지층(250)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the
제1 및 제2 전극(210, 240)은 전압 또는 전류 인가를 위한 시냅스(200)의 단부로서, 금속, 금속 질화물 등 다양한 도전 물질로 형성될 수 있다. 제1 전극(210)은 도 1의 로우 배선(12) 및 컬럼 배선(22) 중 어느 하나와 연결될 수 있고, 제2 전극(240)은 도 1의 로우 배선(12) 및 컬럼 배선(22) 중 다른 하나와 연결됨으로써, 시냅스(200)는 전기적 펄스로 구동될 수 있다. 제1 및 제2 전극(210, 240) 중 적어도 하나는 생략될 수 있고, 이러한 경우, 로우 배선(12) 또는 컬럼 배선(22)이 제1 전극(210) 또는 제2 전극(240)을 대체할 수 있다.The first and
산소 보유층(220)은 산소를 포함하는 층일 수 있다. 예컨대, 산소 보유층(220)은 Ti, Ni, Al, Nb, Hf, V 등과 같은 전이 금속의 산화물, PCMO, LCMO 등과 같은 페로브스카이트계 산화물 등 다양한 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예에서, 산소 보유층(220)은 P형 물질을 포함할 수 있다. The
반응성 금속층(230)은 산소 이온과 반응하여 절연성의 산화물을 형성할 수 있는 층으로서, Al, Ti, Ta, Mo 등의 금속 또는 이 금속의 질화물을 포함할 수 있다. The
산소 확산 저지층(250)은 산소 보유층(220)과 반응성 금속층(230) 사이에서 산소 보유층(220)으로부터 반응성 금속층(230)으로의 산소 이온 이동을 저지하는 역할을 수행할 수 있다. 산소 확산 저지층(250)은, 산화물, 질화물, 또는 이들의 조합 등 다양한 절연 물질 혹은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 특히, 본 실시예에서, 산소 확산 저지층(250)은 N형 물질을 포함할 수 있다. 산소 확산 저지층(250)은 산소 이온의 이동을 완전히 차단하지 않는 것을 전제로 산소 이온의 이동을 방해함으로써, 산소 확산 저지층(250)과의 계면에서 반응성 금속층(230)에 생성되는 절연성 산화물층의 형성 속도를 감소시킬 수 있다. 산소 확산 저지층(250)은 산소 이온의 이동을 완전히 차단하지 않는 얇은 두께 예컨대, 10nm 미만이 두께를 가질 수 있다. The oxygen
본 실시예에서, 산소 보유층(220)은 P형 물질을 포함하고 산소 보유층(220) 접하는 산소 확산 저지층(250)은 N형 물질을 포함하기 때문에, 산소 보유층(220)과 산소 확산 저지층(250)은 P-N 접합을 형성할 수 있다.In this embodiment, since the
위와 같은 시냅스(200)의 동작 방법을 이하의 도 5a 내지 도 6b를 참조하여 설명하기로 한다.A method of operating the
도 5a는 도 4의 시냅스의 리셋 동작을 설명하기 위한 단면도이고, 도 5b는 도 4의 시냅스의 셋 동작을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4의 시냅스(200)가 동작을 시작하기 전, 즉, 최초 상태에서는 산소 보유층(220)과 반응성 금속층(230) 사이에 절연성 산화물층이 형성되지 않은 상태이므로, 시냅스(200)는 저저항 상태일 수 있다.5A is a cross-sectional view illustrating a reset operation of the synapse of FIG. 4 , and FIG. 5B is a cross-sectional view illustrating a set operation of the synapse of FIG. 4 . Before the
도 5a를 참조하면, 저저항 상태의 시냅스(200)에 제1 및 제2 전극(210, 240)을 통하여 리셋 전압 이상의 크기를 갖는 소정 극성의 전압 펄스가 인가되면, 산소 보유층(220) 내의 산소 이온이 산소 확산 저지층(250)을 거쳐 반응성 금속층(230) 쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과, 산소 확산 저지층(250)과의 계면에서 반응성 금속층(230) 내에 절연성 산화물층(260)이 형성됨으로써, 시냅스(200)의 저항 상태가 고저항 상태로 변경되는 리셋 동작이 수행될 수 있다. 전압 펄스의 개수가 증가할수록 절연성 산화물층(260)의 두께가 증가하므로 시냅스(200)의 전도도는 점진적으로 감소할 수 있다. 절연성 산화물층(260)에 의해 형성되는 저항 성분은 시냅스(200)의 우측에 저항 기호로 표기하였다.Referring to FIG. 5A, when a voltage pulse of a predetermined polarity having a magnitude greater than or equal to the reset voltage is applied to the
이때, 시냅스(200)의 제1 전극(210) 및 제2 전극(240)에 인가되는 전압을 각각 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)이라 할 때, 리셋 동작을 위하여 제2 전압(V2)은 제1 전압(V1)에 비하여 상대적으로 양의 전압일 수 있다. 예컨대, 제2 전압(V2)은 리셋 전압 이상의 크기를 갖는 양전압일 수 있고, 제1 전압(V1)은 그라운드 전압일 수 있다. 한편, 이러한 전압 인가시, 산소 확산 저지층(250)과 산소 보유층(220)이 형성하는 P-N 접합(시냅스(200) 우측의 다이오드 기호 참조)에는 역방향 전압(시냅스(200) 우측의 화살표 참조)이 인가될 수 있다. 이러한 경우의 효과에 대하여는, 후술하는 도 6a 및 도 6b를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.At this time, when the voltages applied to the
도 5b를 참조하면, 고저항 상태의 시냅스(200)에 셋 전압 이상의 크기를 가지면서 리셋 동작시 인가되는 전압 펄스와 반대 극성을 갖는 전압 펄스가 인가되면, 산소 이온이 반응성 금속층(230)으로부터 산소 보유층(220) 쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과, 반응성 금속층(230) 내에 기 형성된 절연성 산화물층(260)의 두께가 얇아지거나 나아가 절연성 산화물층(260)이 소멸됨으로써, 시냅스(200)의 저항 상태가 저저항 상태로 변경되는 셋 동작이 수행될 수 있다. 전압 펄스의 개수가 증가할수록 절연성 산화물층(260)의 두께가 감소하므로 시냅스(200)의 전도도는 점진적으로 증가할 수 있다. 절연성 산화물층(260)이 소멸된 경우, 절연성 산화물층(260)에 의한 저항 성분은 사라질 수 있다. Referring to FIG. 5B , when a voltage pulse having a magnitude equal to or higher than the set voltage and having a polarity opposite to that applied during a reset operation is applied to the
이때, 시냅스(200)의 제1 전극(210) 및 제2 전극(240)에 인가되는 전압을 각각 제3 전압(V3) 및 제4 전압(V4)이라 할 때, 셋 동작을 위하여 제4 전압(V4)은 제3 전압(V3)에 비하여 상대적으로 음의 전압일 수 있다. 예컨대, 제4 전압(V4)은 셋 전압 이상의 크기를 갖는 음전압일 수 있고, 제3 전압(V3)은 그라운드 전압일 수 있다. 그에 따라, 산소 확산 저지층(250)과 산소 보유층(220)이 형성하는 P-N 접합(시냅스(200) 우측의 다이오드 기호 참조)에는 순방향 전압(시냅스(200) 우측의 화살표 참조)이 인가될 수 있다. 이러한 경우의 효과에 대하여는, 후술하는 도 6a 및 도 6b를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.At this time, when the voltages applied to the
이와 같은 방식으로 시냅스(200)가 고저항 상태와 저저항 상태 사이에서 스위칭하면서 전압 펄스에 의하여 절연성 산화물층(260)의 두께가 가변되기 때문에, 고저항 상태 및 저저항 상태 각각에서 시냅스(200)의 전도도가 점진적으로 변화하는 아날로그 거동이 보여질 수 있다. 특히, 산소 확산 저지층(250)에 의해 절연성 산화물층(260)의 생성 속도가 감소하기 때문에, 리셋 동작 초기시 급격한 저항 변화를 방지할 수 있고, 전반적으로 리셋 동작의 속도를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 셋 동작에 비하여 리셋 동작시 시냅스(200)의 전도도가 급격히 변화하는 현상이 방지됨으로써, 시냅스(200)의 대칭성이 향상될 수 있다. In this way, since the thickness of the insulating
도 6a는 도 4의 시냅스가 고저항 상태인 경우의 리드 동작을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6b는 도 4의 시냅스가 저저항 상태인 경우의 리드 동작을 설명하기 위한 단면도이다. 6A is a cross-sectional view illustrating a read operation when the synapse of FIG. 4 is in a high-resistance state, and FIG. 6B is a cross-sectional view illustrating a read operation when the synapse of FIG. 4 is in a low-resistance state.
도 6a를 참조하면, 고저항 상태 즉, 반응성 금속층(230)과 산소 확산 저지층(250) 사이의 계면에 절연성 산화물층(260)이 형성된 경우의 시냅스(200)에 제1 및 제2 전극(210, 240)을 통하여 리드 전압 펄스가 인가될 수 있다. 리드 전압 펄스의 크기는 리셋 전압 펄스의 크기보다 작을 수 있고, 그 극성은 리셋 전압 펄스의 극성과 실질적으로 동일할 수 있다. 이는 산소 보유층(220)과 산소 확산 저지층(250)이 형성하는 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되게 하기 위함이다. 다시 말하면, 시냅스(200)의 제1 전극(210) 및 제2 전극(240)에 인가되는 전압을 각각 제5 전압(V5) 및 제6 전압(V6)이라 할 때, 제6 전압(V6)은 제5 전압(V5)에 비하여 상대적으로 양의 전압일 수 있다. 예컨대, 제6 전압(V6)은 리리셋 전압보다 작은 크기의 소정 양전압일 수 있고, 제5 전압(V5)은 그라운드 전압일 수 있다. Referring to FIG. 6A , first and second electrodes ( A read voltage pulse may be applied through 210 and 240). A magnitude of the read voltage pulse may be smaller than that of the reset voltage pulse, and a polarity thereof may be substantially the same as that of the reset voltage pulse. This is to allow a reverse voltage to be applied to the P-N junction formed by the
이러한 경우, 전술한 바와 같이, 산소 확산 저지층(250)과 산소 보유층(220)이 형성하는 P-N 접합에는 역방향 전압이 인가될 수 있다. 따라서, 고저항 상태의 시냅스(200)의 저항값이 전반적으로 더 증가할 수 있다. 그에 따라, 펄스 개수에 따른 시냅스(200)의 저항 변화율이 감소할 수 있다. 결과적으로, 리셋 동작 초기에 시냅스(200)의 저항값이 급격히 증가하는 현상이 더 방지될 수 있어, 시냅스(200)의 선형성이 향상될 수 있다.In this case, as described above, a reverse voltage may be applied to the P-N junction formed by the oxygen
도 6b를 참조하면, 저저항 상태 즉, 반응성 금속층(230)과 산소 확산 저지층(250) 사이의 계면에 절연성 산화물층(260)이 부존재하는 경우의 시냅스(200)에 제1 및 제2 전극(210, 240)을 통하여 리드 전압 펄스가 인가될 수 있다. 리드 전압 펄스의 크기 및 극성은, 시냅스(200)의 저항 상태와는 무관하게 일정할 수 있다. 즉, 시냅스(200)의 제1 전극(210) 및 제2 전극(240)에 전술한 제5 전압(V5) 및 제6 전압(V6)이 각각 인가될 수 있다. Referring to FIG. 6B, the first and second electrodes of the
이러한 경우, 셋 동작시와 달리, 산소 확산 저지층(250)과 산소 보유층(220)이 형성하는 P-N 접합에는 역방향 전압(시냅스(200) 우측의 화살표 참조)이 인가될 수 있다. 따라서, 저저항 상태의 시냅스(200)의 저항값 또한 전반적으로 더 증가할 수 있다. 그에 따라, 펄스 개수에 따른 시냅스(200)의 저항 변화율이 감소할 수 있다. 결과적으로, 셋 동작 초기에 시냅스(200)의 저항값이 급격히 감소하는 현상이 더 방지될 수 있어, 시냅스(200)의 선형성이 향상될 수 있다.In this case, unlike the set operation, a reverse voltage (refer to the arrow on the right of the synapse 200) may be applied to the P-N junction formed by the oxygen
요약하자면, 리드 동작시에 시냅스(200)의 P-N 접합에는 시냅스(200)의 저항 상태와 관계없이 공통적으로 역방향 전압이 인가되기 때문에, 시냅스(200)의 저항값이 전반적으로 증가할 수 있다. 그에 따라, 펄스 개수에 따른 시냅스(200)의 저항 변화율이 감소하여 시냅스(200)의 선형성이 더욱 향상될 수 있다. In summary, since a reverse voltage is commonly applied to the P-N junction of the
전술한 실시예들의 뉴로모픽 장치는 다양한 장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 예시적으로 설명하기로 한다. The neuromorphic device of the above-described embodiments may be used in various devices or systems. This will be exemplarily described with reference to FIG. 7 .
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템의 일 예이다. 본 실시예의 패턴 인식 시스템은 음성 인식 시스템(speech recognition system), 영상 인식 시스템(imaging recognition system) 등 다양한 종류의 패턴을 인식하기 위한 시스템일 수 있다. 본 실시예의 패턴 인식 시스템은 전술한 실시예들의 뉴로모픽 장치를 갖도록 구현될 수 있다.7 is an example of a pattern recognition system according to an embodiment of the present invention. The pattern recognition system of this embodiment may be a system for recognizing various types of patterns, such as a speech recognition system and an imaging recognition system. The pattern recognition system of this embodiment can be implemented with the neuromorphic device of the above-described embodiments.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 패턴 인식 시스템(400)은 중앙 처리 장치(CPU, 410), 메모리 장치(420), 통신 제어 장치(430), 네트워크(440), 패턴 출력 장치(450), 패턴 입력 장치(460), 아날로그-디지털 변환기(ADC, 470), 뉴로모픽 장치(480), 버스 라인(490) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the pattern recognition system 400 of this embodiment includes a central processing unit (CPU) 410, a memory device 420, a communication control unit 430, a network 440, a pattern output unit 450, It may include a pattern input device 460, an analog-to-digital converter (ADC, 470), a neuromorphic device 480, a bus line 490, and the like.
중앙 처리 장치(410)는 뉴로모픽 장치(480)의 학습을 위하여 다양한 신호를 생성 및 전달하고, 뉴로모픽 장치(480)로부터의 출력에 따라 음성, 영상 등과 같은 패턴을 인식하기 위한 다양한 처리 및 기능을 수행할 수 있다. 이러한 중앙 처리 장치(410)는 메모리 장치(420), 통신 제어 장치(430), 패턴 출력 장치(450), 아날로그-디지털 변환기(470) 및 뉴로모픽 장치(480)에 버스 라인(490)을 통하여 연결될 수 있다. The central processing unit 410 generates and transmits various signals for learning of the neuromorphic device 480, and performs various processes for recognizing patterns such as voice and video according to output from the neuromorphic device 480. and functions. The central processing unit 410 supplies a bus line 490 to a memory device 420, a communication control device 430, a pattern output device 450, an analog-to-digital converter 470, and a neuromorphic device 480. can be connected through
메모리 장치(420)는 패턴 인식 시스템(400)에서 저장이 요구되는 다양한 정보를 저장할 수 있으며, 이를 위하여 서로 다른 종류의 메모리들을 포함할 수 있다. 예컨대, 메모리 장치(420)는 롬(ROM, 422), 램(RAM, 424) 등을 포함할 수 있다. 롬(422)은 뉴로모픽 장치(480)의 학습, 패턴 인식 등을 처리하고 제어하기 위하여 중앙 처리 장치(410)에 이용되는 다양한 프로그램 또는 데이터를 저장하는 기능을 수행할 수 있다. ROM(424)은 롬(422)의 프로그램 또는 데이터를 다운로드하여 저장하거나, 또는, 아날로그-디지털 변환기(470)에 의해 변환 및 분석된 음성, 영상 등의 데이터를 저장할 수 있다. The memory device 420 may store various information required to be stored in the pattern recognition system 400, and may include different types of memories for this purpose. For example, the memory device 420 may include a ROM (ROM) 422, a RAM (RAM) 424, and the like. The ROM 422 may perform a function of storing various programs or data used in the central processing unit 410 to process and control learning, pattern recognition, and the like of the neuromorphic device 480 . The ROM 424 may download and store programs or data of the ROM 422 or may store data such as audio and video converted and analyzed by the analog-to-digital converter 470 .
통신 제어 장치(430)는 인식된 음성, 영상 등의 데이터를 네트워크(440)를 통하여 다른 통신 제어 장치와 교환할 수 있다.The communication control device 430 may exchange data such as recognized voice and video with other communication control devices through the network 440 .
패턴 출력 장치(450)는 인식된 음성, 영상 등의 데이터를 다양한 방식으로 출력할 수 있다. 예컨대, 패턴 인식 장치(450)는 프린터, 디스플레이 유닛 등을 포함할 수 있으며, 음성을 파형으로 보여주거나 이미지를 디스플레이할 수 있다.The pattern output device 450 may output data such as recognized voice and video in various ways. For example, the pattern recognition device 450 may include a printer, a display unit, and the like, and may display voice as a waveform or display an image.
패턴 입력 장치(460)는 아날로그 형태의 음성, 영상 등을 입력받는 부분으로서, 마이크로폰, 카메라 등을 포함할 수 있다. The pattern input device 460 is a part that receives an analog type of voice, image, and the like, and may include a microphone, a camera, and the like.
아날로그-디지털 변환기(470)는 패턴 입력 장치(460)로부터 입력된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환할 수 있고 이 디지털 데이터의 분석을 실행할 수도 있다. The analog-to-digital converter 470 may convert analog data input from the pattern input device 460 into digital data and may analyze the digital data.
뉴로모픽 장치(480)는 아날로그-디지털 변환기(470)로부터 출력된 데이터를 이용하여 학습, 인식 등을 수행할 수 있고, 인식된 패턴에 대응하는 데이터를 출력할 수 있다. 뉴로모픽 장치(480)는 전술한 실시예들의 뉴로모픽 장치 및 시냅스 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, 뉴로모픽 장치(480)는 복수의 시냅스를 포함할 수 있고, 복수의 시냅스 각각은, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, P형 물질을 포함하는 산소 보유층; 상기 산소 보유층과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 상기 산소 보유층의 산소 이온과 반응할 수 있는 반응성 금속층; 및 상기 반응성 금속층과 상기 산소 보유층 사이에 개재되어 상기 산소 보유층으로부터 상기 반응성 금속층으로의 산소 이온 이동을 방해하고, N형 물질을 포함하는 산소 확산 저지층을 포함하고, 상기 산소 보유층과 상기 산소 확산 저지층은, P-N 접합을 형성할 수 있다. 이를 통해 시냅스의 대칭성 및 선형성이 확보될 수 있다. 이로써, 뉴로모픽 장치(480)의 동작 특성이 향상될 수 있고, 그에 따라, 패턴 인식 시스템(400)의 동작 특성이 향상될 수 있다. The neuromorphic device 480 may perform learning and recognition using the data output from the analog-to-digital converter 470 and output data corresponding to the recognized pattern. The neuromorphic device 480 may include one or more of the neuromorphic devices and synapses of the above-described embodiments. For example, the neuromorphic device 480 may include a plurality of synapses, each of which includes a first electrode; a second electrode spaced apart from the first electrode; an oxygen retaining layer interposed between the first electrode and the second electrode and containing a P-type material; a reactive metal layer interposed between the oxygen retaining layer and the second electrode and capable of reacting with oxygen ions of the oxygen retaining layer; and an oxygen diffusion barrier layer interposed between the reactive metal layer and the oxygen retaining layer to prevent the movement of oxygen ions from the oxygen retaining layer to the reactive metal layer, and including an N-type material, The oxygen diffusion barrier layer can form a P-N junction. Through this, symmetry and linearity of the synapse can be secured. Accordingly, operating characteristics of the neuromorphic device 480 may be improved, and accordingly, operating characteristics of the pattern recognition system 400 may be improved.
기타, 패턴 인식 시스템(400)은 자신의 기능을 적절히 수행하기 위하여 필요한 다른 구성 요소들을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 패턴 인식 시스템(400)의 구동을 위한 다양한 파라미터나 셋팅 조건 등을 입력하기 위한 입력 유닛으로서 키보드, 마우스 등을 더 포함할 수 있다.In addition, the pattern recognition system 400 may further include other components required to properly perform its functions. For example, as an input unit for inputting various parameters or setting conditions for driving the pattern recognition system 400, a keyboard, a mouse, and the like may be further included.
이상으로 해결하고자 하는 과제를 위한 다양한 실시예들이 기재되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자진 자라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 명백하다.Although various embodiments for the problem to be solved have been described above, it is clear that a person skilled in the art can make various changes and modifications within the scope of the technical idea of the present invention. .
200: 시냅스 210: 제1 전극
220: 산소 보유층 230: 반응성 금속층
240: 제2 전극 250: 산소 확산 저지층200: synapse 210: first electrode
220: oxygen holding layer 230: reactive metal layer
240: second electrode 250: oxygen diffusion barrier layer
Claims (22)
상기 제1 전극과 이격된 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, P형 물질을 포함하는 산소 보유층;
상기 산소 보유층과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 상기 산소 보유층의 산소 이온과 반응할 수 있는 반응성 금속층; 및
상기 반응성 금속층과 상기 산소 보유층 사이에 개재되어 상기 산소 보유층으로부터 상기 반응성 금속층으로의 산소 이온 이동을 방해하고, N형 물질을 포함하는 산소 확산 저지층을 포함하고,
상기 산소 보유층과 상기 산소 확산 저지층은, P-N 접합을 형성하는
시냅스.
a first electrode;
a second electrode spaced apart from the first electrode;
an oxygen retaining layer interposed between the first electrode and the second electrode and containing a P-type material;
a reactive metal layer interposed between the oxygen retaining layer and the second electrode and capable of reacting with oxygen ions of the oxygen retaining layer; and
An oxygen diffusion barrier layer interposed between the reactive metal layer and the oxygen retaining layer to prevent the movement of oxygen ions from the oxygen retaining layer to the reactive metal layer and containing an N-type material;
The oxygen retention layer and the oxygen diffusion barrier layer form a PN junction
Synapse.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 제1 극성의 리셋 전압이 인가되는 경우, 상기 산소 확산 저지층과의 계면에서 상기 반응성 금속층에 절연성 산화물층이 생성 또는 그 두께가 증가하는 리셋 동작이 수행되고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 상기 제1 극성과 상이한 제2 극성의 셋 전압이 인가되는 경우, 상기 절연성 산화물층이 소멸 또는 그 두께가 감소하는 셋 동작이 수행되는
시냅스.
According to claim 1,
When a reset voltage of a first polarity is applied through the first electrode and the second electrode, a reset operation is performed in which an insulating oxide layer is formed on the reactive metal layer or its thickness is increased at the interface with the oxygen diffusion barrier layer. become,
When a set voltage of a second polarity different from the first polarity is applied through the first electrode and the second electrode, a set operation in which the insulating oxide layer disappears or its thickness is reduced is performed
Synapse.
상기 리셋 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되고,
상기 셋 동작시, 상기 P-N 접합에 순방향 전압이 인가되는
시냅스.
According to claim 2,
During the reset operation, a reverse voltage is applied to the PN junction;
During the set operation, a forward voltage is applied to the PN junction
Synapse.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통하여 상기 리셋 전압보다 작은 크기를 가지면서 상기 제1 극성의 리드 전압이 인가되어 리드 동작이 수행되는
시냅스.
According to claim 2,
A read operation is performed by applying a read voltage of the first polarity while having a magnitude smaller than the reset voltage through the first electrode and the second electrode.
Synapse.
상기 리드 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되는
시냅스.
According to claim 4,
During the read operation, a reverse voltage is applied to the PN junction
Synapse.
상기 절연성 산화물층의 두께가 증가할수록 전도도가 감소하고, 상기 절연성 산화물층의 두께가 감소할수록 전도도가 증가하는
시냅스.
According to claim 2,
The conductivity decreases as the thickness of the insulating oxide layer increases, and the conductivity increases as the thickness of the insulating oxide layer decreases.
Synapse.
상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록 상기 절연성 산화물층의 두께가 증가하고,
상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록 상기 절연성 산화물층의 두께가 감소하는
시냅스.
According to claim 2,
During the reset operation, the thickness of the insulating oxide layer increases as the number of pulses of the reset voltage increases,
During the set operation, the thickness of the insulating oxide layer decreases as the number of pulses of the set voltage increases.
Synapse.
상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖고,
상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖는
시냅스.
According to claim 7,
During the reset operation, the pulse of the reset voltage has a constant width and a constant size,
During the set operation, the pulse of the set voltage has a constant width and a constant size.
Synapse.
상기 산소 확산 저지층은,
상기 산소 이온의 이동을 완전히 차단하지 않는 두께를 갖는
시냅스.
According to claim 1,
The oxygen diffusion barrier layer,
Having a thickness that does not completely block the movement of the oxygen ions
Synapse.
상기 산소 확산 저지층은,
절연 물질, 반도체 물질 또는 이들의 조합을 포함하는
시냅스.
According to claim 1,
The oxygen diffusion barrier layer,
Including an insulating material, a semiconductor material, or a combination thereof
Synapse.
상기 제1 및 제2 전극을 통하여 인가되는 제1 극성의 전기적 펄스의 개수가 증가할수록 전도도가 감소하는 억제 동작이 수행되는 경우, 상기 제1 극성과 상이한 제2 극성의 전기적 펄스의 개수가 증가할수록 전도도가 증가하는 강화 동작이 수행되는
시냅스.
According to claim 1,
When a suppression operation in which conductivity decreases as the number of electrical pulses of the first polarity applied through the first and second electrodes increases, as the number of electrical pulses of the second polarity different from the first polarity increases, A reinforcing operation in which the conductivity increases is performed.
Synapse.
상기 제1 극성의 전기적 펄스 및 상기 제2 극성의 전기적 펄스 각각은, 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖는
시냅스.
According to claim 11,
Each of the electric pulse of the first polarity and the electric pulse of the second polarity has a constant width and a constant size.
Synapse.
상기 제1 극성의 전기적 펄스 및 상기 제2 극성의 전기적 펄스 각각의 폭 및 크기 중 적어도 하나가 소정 임계값 미만인 경우, 전도도가 변하지 않는
시냅스.
According to claim 11,
When at least one of the width and size of each of the electrical pulse of the first polarity and the electrical pulse of the second polarity is less than a predetermined threshold value, the conductivity does not change
Synapse.
제2 뉴런;
상기 제1 뉴런에 연결되고, 제1 방향으로 연장하는 제1 배선;
상기 제2 뉴런에 연결되고, 상기 제1 배선과 교차하도록 제2 방향으로 연장하는 제2 배선; 및
상기 제1 배선과 상기 제2 배선의 사이에서 상기 제1 배선과 상기 제2 배선의 교차점에 위치하는 시냅스를 포함하고,
상기 시냅스는,
P형 물질을 포함하는 산소 보유층;
상기 산소 보유층과 상기 제2 배선 사이에 개재되고, 상기 산소 보유층의 산소 이온과 반응할 수 있는 반응성 금속층; 및
상기 반응성 금속층과 상기 산소 보유층 사이에 개재되어 상기 산소 보유층으로부터 상기 반응성 금속층으로의 산소 이온 이동을 방해하고, N형 물질을 포함하는 산소 확산 저지층을 포함하고,
상기 산소 보유층과 상기 산소 확산 저지층은, P-N 접합을 형성하는
뉴로모픽 장치.
first neuron;
second neuron;
a first wire connected to the first neuron and extending in a first direction;
a second wire connected to the second neuron and extending in a second direction to cross the first wire; and
A synapse positioned at an intersection between the first wiring and the second wiring between the first wiring and the second wiring;
The synapse,
an oxygen retaining layer comprising a P-type material;
a reactive metal layer interposed between the oxygen retaining layer and the second wire and capable of reacting with oxygen ions of the oxygen retaining layer; and
An oxygen diffusion barrier layer interposed between the reactive metal layer and the oxygen retaining layer to prevent the movement of oxygen ions from the oxygen retaining layer to the reactive metal layer and containing an N-type material;
The oxygen retention layer and the oxygen diffusion barrier layer form a PN junction
neuromorphic device.
상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통하여 상기 시냅스에 제1 극성의 리셋 전압이 인가되는 경우, 상기 산소 확산 저지층과의 계면에서 상기 반응성 금속층에 절연성 산화물층이 생성 또는 그 두께가 증가하는 리셋 동작이 수행되고,
상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통하여 상기 시냅스에 상기 제1 극성과 상이한 제2 극성의 셋 전압이 인가되는 경우, 상기 절연성 산화물층이 소멸 또는 그 두께가 감소하는 셋 동작이 수행되는
뉴로모픽 장치.
According to claim 16,
When a reset voltage of a first polarity is applied to the synapse through the first wiring and the second wiring, a reset in which an insulating oxide layer is formed or its thickness increases on the reactive metal layer at the interface with the oxygen diffusion barrier layer. action is performed,
When a set voltage of a second polarity different from the first polarity is applied to the synapse through the first wire and the second wire, a set operation in which the insulating oxide layer disappears or its thickness is reduced is performed
neuromorphic device.
상기 리셋 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되고,
상기 셋 동작시, 상기 P-N 접합에 순방향 전압이 인가되는
뉴로모픽 장치.
According to claim 17,
During the reset operation, a reverse voltage is applied to the PN junction;
During the set operation, a forward voltage is applied to the PN junction
neuromorphic device.
상기 제1 배선 및 상기 제2 배선을 통하여 상기 시냅스에 상기 리셋 전압보다 작은 크기를 가지면서 상기 리셋 전압과 동일한 상기 제1 극성의 리드 전압이 인가되어 리드 동작이 수행되는
뉴로모픽 장치.
According to claim 17,
A read operation is performed by applying a read voltage of the first polarity equal to the reset voltage and having a magnitude smaller than the reset voltage to the synapse through the first wiring and the second wiring
neuromorphic device.
상기 리드 동작시, 상기 P-N 접합에 역방향 전압이 인가되는
뉴로모픽 장치.
According to claim 19,
During the read operation, a reverse voltage is applied to the PN junction
neuromorphic device.
상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록, 상기 절연성 산화물층의 두께가 증가하고,
상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스의 개수가 증가할수록, 상기 절연성 산화물층의 두께가 감소하는
뉴로모픽 장치.
According to claim 17,
During the reset operation, as the number of pulses of the reset voltage increases, the thickness of the insulating oxide layer increases,
During the set operation, as the number of pulses of the set voltage increases, the thickness of the insulating oxide layer decreases.
neuromorphic device.
상기 리셋 동작시, 상기 리셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖고,
상기 셋 동작시, 상기 셋 전압의 펄스는 일정한 폭 및 일정한 크기를 갖는
뉴로모픽 장치.According to claim 21,
During the reset operation, the pulse of the reset voltage has a constant width and a constant size,
During the set operation, the pulse of the set voltage has a constant width and a constant size.
neuromorphic device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/389,139 US10565495B2 (en) | 2015-12-30 | 2016-12-22 | Synapse and neuromorphic device including the same |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201562273248P | 2015-12-30 | 2015-12-30 | |
US62/273,248 | 2015-12-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20170080451A KR20170080451A (en) | 2017-07-10 |
KR102556818B1 true KR102556818B1 (en) | 2023-07-19 |
Family
ID=59356477
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020160146566A KR102556818B1 (en) | 2015-12-30 | 2016-11-04 | Synapse and neuromorphic device including the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102556818B1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140103284A1 (en) | 2012-02-07 | 2014-04-17 | Intermolecular Inc. | ReRAM Cells Including TaXSiYN Embedded Resistors |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060171200A1 (en) * | 2004-02-06 | 2006-08-03 | Unity Semiconductor Corporation | Memory using mixed valence conductive oxides |
KR100960013B1 (en) * | 2008-07-24 | 2010-05-28 | 주식회사 하이닉스반도체 | Resistive memory device and method for manufacturing the same |
US9685608B2 (en) * | 2012-04-13 | 2017-06-20 | Crossbar, Inc. | Reduced diffusion in metal electrode for two-terminal memory |
US8946667B1 (en) * | 2012-04-13 | 2015-02-03 | Crossbar, Inc. | Barrier structure for a silver based RRAM and method |
-
2016
- 2016-11-04 KR KR1020160146566A patent/KR102556818B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140103284A1 (en) | 2012-02-07 | 2014-04-17 | Intermolecular Inc. | ReRAM Cells Including TaXSiYN Embedded Resistors |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20170080451A (en) | 2017-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Burr et al. | Neuromorphic computing using non-volatile memory | |
Rajendran et al. | Neuromorphic computing based on emerging memory technologies | |
US10332000B2 (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
US10679121B2 (en) | Synapse and a neuromorphic device including the same | |
US11625588B2 (en) | Neuron circuit and artificial neural network chip | |
US7978510B2 (en) | Stochastic synapse memory element with spike-timing dependent plasticity (STDP) | |
US10565497B2 (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
CN109255435B (en) | Neuromorphic device having multiple synaptosomes | |
KR20170025715A (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
US11157803B2 (en) | Neuromorphic device including a synapse having a variable resistor and a transistor connected in parallel with each other | |
CN111433792A (en) | Counter-based resistance processing unit of programmable resettable artificial neural network | |
US20220083836A1 (en) | Configurable Three-Dimensional Neural Network Array | |
Indiveri et al. | ReRAM‐Based Neuromorphic Computing | |
US11121259B2 (en) | Metal-oxide-based neuromorphic device | |
US20200387779A1 (en) | Neuromorphic device with oxygen scavenging gate | |
Yu | Orientation classification by a winner-take-all network with oxide RRAM based synaptic devices | |
US9773204B2 (en) | Neuromorphic device including synapses having carrier traps distributed at multiple energy levels | |
Kim et al. | Mimicking Synaptic behaviors with cross-point structured TiO x/TiO y-based filamentary rram for neuromorphic applications | |
US11133058B1 (en) | Analog computing architecture for four terminal memory devices | |
KR102556818B1 (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
KR102556820B1 (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
KR20170080452A (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
US20170193359A1 (en) | Neuromorphic device | |
US10565495B2 (en) | Synapse and neuromorphic device including the same | |
KR102577592B1 (en) | Neuromorphic device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right |