KR102641821B1 - Ion-based 3-Terminal Synapse Device with Integrated Heating Element, 3-Terminal Synapse Array having the Same and Method of Operation the Same - Google Patents
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Abstract
학습 정확도 및 데이터 보존성을 개선할 수 있는 발열 소자가 집적화 된 이온 기반 3단자 시냅스 소자, 이를 구비하는 3단자 시냅스 어레이 및 이의 동작 방법이 개시된다. 이는 프로그램(program)과 리드(read) 동작을 서로 다른 온도 범위에서 동작되도록 함으로써, 고온에서는 향상된 이온 움직임을 통한 트레이닝(training) 특성을 향상시킬 수 있고, 저온 또는 상온에서는 저하된 이온 움직임을 통해 보존성(retention) 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Disclosed are an ion-based three-terminal synapse device with integrated heating elements capable of improving learning accuracy and data preservation, a three-terminal synapse array comprising the same, and a method of operating the same. This allows program and read operations to be operated in different temperature ranges, improving training characteristics through improved ion movement at high temperatures, and preservation through reduced ion movement at low or room temperature. It has the effect of improving retention characteristics.
Description
본 발명은 발열 소자가 집적화 된 이온 기반 3단자 시냅스 소자, 이를 구비하는 3단자 시냅스 어레이 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 학습 정확도 및 데이터 보존성(retention)을 개선할 수 있는 발열 소자가 집적화 된 이온 기반 3단자 시냅스 소자, 이를 구비하는 3단자 시냅스 어레이 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heating element, a three-terminal synapse array comprising the same, and a method of operating the same. More specifically, the present invention relates to a heating element that can improve learning accuracy and data retention. It relates to an integrated ion-based three-terminal synapse device, a three-terminal synapse array comprising the same, and a method of operating the same.
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. 즉, 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.A neuromorphic system can be implemented using the principles of nerve cells. A pneumotropic system refers to a system that imitates the brain's processing of data by implementing the neurons that make up the human brain using multiple elements. Therefore, by using a neuromorphic system containing neuron elements, data can be processed and learned in a manner similar to the brain. In other words, a neuron device is connected to another neuron device through a synapse of the neuron device, and can receive data from another neuron device through the synapse. At this time, the neuron element stores and integrates the received data, and fires and outputs it when it is above the threshold voltage (Vt). In other words, neuron elements function to accumulate and fire data. Additionally, the synaptic element potentiates or suppresses the input data and transmits it to the neuron element. In other words, the synapse element selectively outputs output depending on the input voltage.
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.Among these synaptic devices, the two-terminal synaptic device uses the same two electrodes for writing, erasing, and reading. Therefore, it is difficult to accurately control resistance changes, and it is relatively difficult to implement STDP characteristics. To solve this problem, a three-terminal synapse device that controls the amount of current flowing between the source and drain by adding a gate electrode was introduced, and the possibility of using such a device as a synapse device is increasing.
허나, 종래의 3단자 시냅스 소자의 경우 프로그램(program) 및 리드(read) 동작 모두 상온에서 진행하기 때문에 이상적인 트레이닝 특성 및 보존성 사이의 트레이드 오프(trade-off) 관계가 불가피하게 존재하는 단점이 있다.However, in the case of the conventional three-terminal synapse device, both program and read operations are performed at room temperature, so there is a disadvantage that a trade-off relationship between ideal training characteristics and preservation inevitably exists.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발열 소자를 이용하여 프로그램과 리드 동작을 서로 다른 온도 범위에서 동작되도록 함으로써, 학습 정확도 및 데이터 보존성을 향상시킬 수 있는 발열 소자가 집적화 된 이온 기반 3단자 시냅스 소자, 이를 구비하는 3단자 시냅스 어레이 및 이의 동작 방법을 제공하는데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heating element that can improve learning accuracy and data retention by enabling program and read operations to be operated in different temperature ranges using a heating element. The aim is to provide a three-terminal synapse array and a method of operating the same.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 형성된 시냅스 소자, 상기 기판과 상기 제1 절연층 사이에 형성되고, 상기 시냅스 소자에 열을 공급하는 열 발생 소자를 포함한다.In order to solve the above-described problem, the ion-based three-terminal synapse device in which the heating device of the present invention is integrated includes a substrate, a first insulating layer formed on the substrate, a synapse device formed on the first insulating layer, the substrate, and the first insulating layer. 1 It is formed between the insulating layers and includes a heat generating element that supplies heat to the synapse element.
상기 열 발생 소자는 상기 제1 절연층에 매립되도록 형성될 수 있다.The heat generating element may be formed to be buried in the first insulating layer.
상기 열 발생 소자는 Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC 및 Graphene 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.The heat generating element may be made of any one of Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC, and Graphene.
상기 열 발생 소자는 상기 시냅스 소자가 형성된 영역을 포함하도록 지그재그 형태를 가질 수 있다.The heat generating element may have a zigzag shape to include an area where the synapse element is formed.
상기 시냅스 소자는 상기 열 발생 소자의 동작에 의한 고온 상태 및 상기 열 발생 소자 동작이 중지된 상온 상태를 가질 수 있다.The synapse element may have a high temperature state due to the operation of the heat generating element and a room temperature state in which the operation of the heat generating element is stopped.
상기 시냅스 소자는 상기 고온 상태에서 프로그램(program) 동작이 수행되고, 상기 상온 상태에서 리드(read) 동작이 수행될 수 있다.A program operation may be performed on the synapse element in the high temperature state, and a read operation may be performed in the room temperature state.
상기 시냅스 소자는, 상기 제1 절연층 상에 형성되되, 상부 방향으로 돌출된 돌출 부위를 갖는 소스 전극, 상기 소스 전극 상에 형성되되, 상기 소스 전극의 돌출 부위와 이격되어 형성된 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 형성된 드레인 전극, 상기 소스 전극의 돌출 부위 및 상기 드레인 전극 상에 형성된 채널층, 상기 채널층 상에 형성된 중간층, 상기 중간층 상에 형성된 이온 저장층 및 상기 이온 저장층 상에 형성된 게이트 전극을 포함할 수 있다.The synapse element includes a source electrode formed on the first insulating layer and having a protruding portion protruding upward, a second insulating layer formed on the source electrode and spaced apart from the protruding portion of the source electrode, A drain electrode formed on the second insulating layer, a channel layer formed on the protruding portion of the source electrode and the drain electrode, an intermediate layer formed on the channel layer, an ion storage layer formed on the intermediate layer, and on the ion storage layer. It may include a formed gate electrode.
상기 중간층은 YSZ, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.The intermediate layer may be formed of any one of YSZ, HfO 2 and ZrO 2 materials.
상기 이온 저장층은 Gd2O3 또는 CeO2의 물질로 형성될 수 있다.The ion storage layer may be formed of a material such as Gd 2 O 3 or CeO 2 .
상기 채널층은 WOx(2.6<x<3) 또는 TiOx(1.7<x<2)의 물질로 형성될 수 있다.The channel layer may be formed of WO x (2.6<x<3) or TiO x (1.7<x<2) material.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이는 기판, 상기 기판 상에 형성된 열 발생 소자, 상기 열 발생 소자 상에 형성된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 상에 형성된 시냅스 어레이를 포함하고, 상기 열 발생 소자는 상기 시냅스 어레이가 형성된 영역을 포함하도록 형성된다.In order to solve the above-described problem, the ion-based three-terminal synapse array with integrated heat generating elements of the present invention includes a substrate, a heat generating element formed on the substrate, a first insulating layer formed on the heat generating element, and the first insulating layer. It includes a synapse array formed on the heat generating element, and the heat generating element is formed to include a region where the synapse array is formed.
상기 열 발생 소자는 Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC 및 Graphene 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.The heat generating element may be made of any one of Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC, and Graphene.
상기 열 발생 소자는 상기 시냅스 어레이가 형성된 영역을 포함하도록 지그재그 형태를 가질 수 있다.The heat generating element may have a zigzag shape to include an area where the synapse array is formed.
상기 시냅스 어레이는, 상기 제1 절연층 상에 어레이 형태로 형성되되, 상부 방향으로 돌출된 돌출 부위를 갖는 소스 전극들, 상기 소스 전극들과 수직한 방향으로 교차하도록 상기 소스 전극들 상에 형성되되, 상기 소스 전극들의 돌출 부위와 이격되어 형성된 제2 절연층들, 상기 제2 절연층들 상에 형성된 드레인 전극들, 상기 소스 전극들의 돌출 부위 및 상기 드레인 전극들 상에 형성된 채널층들, 상기 채널층들 상에 형성된 중간층들, 상기 중간층들 상에 형성된 이온 저장층들 및 상기 이온 저장층들 상에 형성되되, 상기 소스 전극들과 평행한 방향으로 형성된 게이트 전극들을 포함할 수 있다.The synapse array is formed in the form of an array on the first insulating layer, with source electrodes having protruding portions protruding upward, and formed on the source electrodes to intersect in a direction perpendicular to the source electrodes. , second insulating layers formed to be spaced apart from the protruding portions of the source electrodes, drain electrodes formed on the second insulating layers, channel layers formed on the protruding portions of the source electrodes and the drain electrodes, the channel It may include intermediate layers formed on the intermediate layers, ion storage layers formed on the intermediate layers, and gate electrodes formed on the ion storage layers in a direction parallel to the source electrodes.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이의 동작 방법은 기판과 3단자 시냅스 어레이 사이에 형성된 열 발생 소자에 전원을 인가하는 단계, 상기 열 발생 소자의 줄 히팅(joule heating)에 의해 고온 상태를 갖는 상기 3단자 시냅스 어레이에 프로그램(program) 동작을 수행하는 단계, 상기 열 발생 소자에 인가된 전원을 차단하는 단계 및 상기 열 발생 소자의 전원 차단에 의해 상온 상태를 갖는 상기 3단자 시냅스 어레이에 리드(read) 동작을 수행하는 단계를 포함한다.In order to solve the above-described problem, the operating method of the ion-based three-terminal synapse array with integrated heat generating elements of the present invention includes the steps of applying power to a heat generating element formed between a substrate and the three terminal synapse array, and rows of the heat generating elements. Performing a program operation on the three-terminal synapse array in a high temperature state by heating (joule heating), cutting off power applied to the heat generating element, and turning off power to the heat generating element to bring the heat generating element to room temperature. It includes performing a read operation on the three-terminal synapse array having a state.
상기 프로그램 동작을 수행하는 단계는, 상기 3단자 시냅스 어레이의 상기 고온 상태에서 상기 프로그램 동작을 위한 게이트 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.Performing the program operation may include applying a gate pulse for the program operation in the high temperature state of the three-terminal synapse array.
상기 리드 동작을 수행하는 단계는, 상기 3단자 시냅스 어레이의 상기 상온 상태에서 상기 리드 동작을 위한 게이트 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.Performing the read operation may include applying a gate pulse for the read operation in the room temperature state of the three-terminal synapse array.
상기 열 발생 소자는 상기 3단자 시냅스 어레이가 형성된 영역을 포함하도록 지그재그 형태를 가질 수 있다.The heat generating element may have a zigzag shape to include an area where the three-terminal synapse array is formed.
상술한 본 발명에 따르면, 3단자 시냅스 어레이 구조에 있어서, 프로그램(program)과 리드(read) 동작을 서로 다른 온도 범위에서 동작되도록 함으로써, 고온에서는 향상된 이온 움직임을 통한 트레이닝(training) 특성을 향상시킬 수 있고, 저온 또는 상온에서는 저하된 이온 움직임을 통해 보존성(retention) 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention described above, in the three-terminal synapse array structure, program and read operations are operated in different temperature ranges, thereby improving training characteristics through improved ion movement at high temperatures. This has the effect of improving retention characteristics through reduced ion movement at low or room temperature.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 본 발명의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 프로그램 동작을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 리드 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 열 발생 소자의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 3단자 시냅스 어레이를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 3단자 시냅스 어레이의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 3단자 시냅스 어레이를 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 3단자 시냅스 어레이를 이용한 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 3단자 시냅스 어레이 및 열 발생 소자의 동작을 나타낸 타이밍도이다.
도 10은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 온도 변화에 따른 트레이닝 특성 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a diagram showing a three-terminal synapse device of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the program operation of a three-terminal synapse device according to the present invention.
Figure 3 is a diagram showing the lead operation of a three-terminal synapse device according to the present invention.
Figure 4 is a diagram showing various embodiments of a heat generating element according to the present invention.
Figure 5 is a diagram showing a three-terminal synapse array of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the manufacturing process of the three-terminal synapse array of the present invention.
Figure 7 is a circuit diagram showing the three-terminal synapse array of the present invention.
Figure 8 is a flowchart showing an operation method using the three-terminal synapse array of the present invention.
Figure 9 is a timing diagram showing the operation of the three-terminal synapse array and heat generating element of the present invention.
Figure 10 is a graph showing changes in training characteristics according to temperature changes of the three-terminal synapse device according to the present invention.
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.Since the present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
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.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, identical or corresponding components will be assigned the same drawing numbers and redundant description thereof will be omitted. Do this.
도 1은 본 발명의 3단자 시냅스 소자를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing a three-terminal synapse device of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자는 기판(110), 제1 절연층(120), 시냅스 소자(130) 및 열 발생 소자(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the three-terminal synapse device according to the present invention includes a substrate 110, a first insulating layer 120, a synapse device 130, and a heat generating device 140.
상기 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 기판(110)은 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체 기판 또는 n형 불순물이 도핑된 n형 반도체 기판일 수도 있다.The substrate 110 may be a silicon substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a germanium substrate, a germanium on insulator (GOI) substrate, or a silicon-germanium substrate, but is not limited thereto. No. In an embodiment of the present invention, a commonly used silicon substrate can be used, and the substrate 110 may be a p-type semiconductor substrate doped with a p-type impurity or an n-type semiconductor substrate doped with an n-type impurity.
기판(110) 상에는 제1 절연층(120)이 형성될 수 있다. 일예로, 제1 절연층(120)은 기판(110) 상에 형성되는 후술할 열 발생 소자(140)를 매립하도록 형성될 수 있다. 따라서, 제1 절연층(120)은 열 발생 소자(140)와 소스 전극(131)이 서로 접촉되는 것을 방지하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 제1 절연층(120)은 일예로, SiO2 로 형성될 수 있다.A first insulating layer 120 may be formed on the substrate 110. As an example, the first insulating layer 120 may be formed to bury a heat generating element 140, which will be described later, formed on the substrate 110. Accordingly, the first insulating layer 120 may perform a function to prevent the heat generating element 140 and the source electrode 131 from contacting each other. For example, the first insulating layer 120 may be formed of SiO 2 .
제1 절연층(120) 상에는 시냅스 소자(130)가 형성될 수 있다. 일예로, 시냅스 소자(130)는 제1 절연층(120) 상에서 어레이 형태로 배열될 수 있다. 또한, 시냅스 소자(130)는 소스 전극(131), 제2 절연층(132), 드레인 전극(133), 채널층(134), 중간층(135), 이온 저장층(136) 및 게이트 전극(137)을 포함할 수 있다.A synapse element 130 may be formed on the first insulating layer 120. For example, the synapse elements 130 may be arranged in an array on the first insulating layer 120. In addition, the synapse element 130 includes a source electrode 131, a second insulating layer 132, a drain electrode 133, a channel layer 134, an intermediate layer 135, an ion storage layer 136, and a gate electrode 137. ) may include.
소스 전극(131)은 제1 절연층(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, 소스 전극(131)은 상부 방향으로 돌출된 돌출 부위(101)를 포함할 수 있다. 일예로, 소스 전극(131)은 제1 절연층(120) 상에 바(bar) 형태로 형성되되, 돌출 부위(101)는 바 형태의 상부면 중 소정 부위가 상부 방향으로 돌출되는 부위일 수 있다.The source electrode 131 may be formed on the first insulating layer 120. Additionally, the source electrode 131 may include a protruding portion 101 that protrudes upward. For example, the source electrode 131 is formed in a bar shape on the first insulating layer 120, and the protruding portion 101 may be a portion of the upper surface of the bar shape that protrudes upward. there is.
소스 전극(131)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.The source electrode 131 may include at least one metal material selected from the group consisting of aluminum, copper, nickel, iron, chromium, titanium, zinc, lead, gold, and silver, and poly(3, It may include a conductive polymer material such as 4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS), and may include a doped polymer material.
제2 절연층(132)은 소스 전극(131) 상에 형성될 수 있다. 일예로, 제2 절연층(132)은 소스 전극(131)의 바 형태 상에 형성되되, 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)와 소정 거리 이격되도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 절연층(132)은 소스 전극(131)과 후술할 드레인 전극(133) 사이에 배치되어, 소스 전극(131)과 드레인 전극(133)이 서로 접촉되는 것을 방지하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 제2 절연층(132)은 일예로, SiO2 로 형성될 수 있다.The second insulating layer 132 may be formed on the source electrode 131. For example, the second insulating layer 132 may be formed on the bar shape of the source electrode 131 and spaced apart from the protruding portion 101 of the source electrode 131 by a predetermined distance. That is, the second insulating layer 132 is disposed between the source electrode 131 and the drain electrode 133, which will be described later, and performs a function to prevent the source electrode 131 and the drain electrode 133 from contacting each other. can do. For example, the second insulating layer 132 may be formed of SiO 2 .
드레인 전극(133)은 제2 절연층(132) 상에 형성되되, 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)와 이격되도록 형성될 수 있다. 즉, 드레인 전극(133)을 제2 절연층(132) 상에 형성함으로써, 바 형태의 소스 전극(131)과 이격되고, 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)와도 이격되도록 형성될 수 있다. 드레인 전극(133)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.The drain electrode 133 may be formed on the second insulating layer 132 and spaced apart from the protruding portion 101 of the source electrode 131. That is, by forming the drain electrode 133 on the second insulating layer 132, it can be formed to be spaced apart from the bar-shaped source electrode 131 and also spaced apart from the protruding portion 101 of the source electrode 131. . The drain electrode 133 may include at least one metal material selected from the group consisting of aluminum, copper, nickel, iron, chromium, titanium, zinc, lead, gold, and silver, and poly(3, It may include a conductive polymer material such as 4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS), and may include a doped polymer material.
채널층(134)은 소스 전극(131)과 드레인 전극(133) 상에 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 채널층(134)은 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)와 드레인 전극(133) 상에 형성되되, 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)에서 드레인 전극(133)까지 연장되도록 형성될 수 있다.The channel layer 134 may be formed on the source electrode 131 and the drain electrode 133. More specifically, the channel layer 134 is formed on the protruding portion 101 of the source electrode 131 and the drain electrode 133, and the drain electrode 133 is formed on the protruding portion 101 of the source electrode 131. ) can be formed to extend to.
채널층(134)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 이온(Active ion)의 주입 및 방출에 따라 전기 전도도 즉, 컨덕턴스(conductance)가 변화되는 물질로 형성됨이 바람직하다. 일예로, 채널층(134)은 WOx(2.6<x<3) 또는 TiOx(1.7<x<2) 물질 중 어느 하나의 물질로 형성하는 것이 바람직하다.The channel layer 134 is formed of any one of materials made of low-molecular-weight organic semiconductors, organic semiconductors, conductive polymers, inorganic semiconductors, oxide semiconductors, two-dimensional semiconductors, and quantum dots, or materials such as W, Co, Mo, Ti, and Ta. It is preferably formed of any one of metal materials, but is preferably formed of a material whose electrical conductivity, that is, conductance, changes according to the injection and release of active ions. For example, the channel layer 134 is preferably formed of either WO x (2.6<x<3) or TiO x (1.7<x<2) material.
중간층(135)은 채널층(134) 상에 형성될 수 있다. 중간층(135)은 활성 이온이 이온 저장층(136)에서 채널층(134)으로 또는 채널층(134)에서 이온 저장층(136)으로 이동되도록 전해질 물질로 형성됨이 바람직하다. 일예로, 중간층(135)은 YSZ, HfO2 및 ZrO2 물질 중 어느 하나의 물질로 형성됨이 바람직하고, ZrO2 물질로 형성되는 것이 가장 바람직하다.The intermediate layer 135 may be formed on the channel layer 134. The middle layer 135 is preferably formed of an electrolyte material to allow active ions to move from the ion storage layer 136 to the channel layer 134 or from the channel layer 134 to the ion storage layer 136. For example, the middle layer 135 is preferably made of any one of YSZ, HfO 2 and ZrO 2 materials, and is most preferably made of ZrO 2 materials.
이온 저장층(136)은 중간층(135) 상에 배치될 수 있다. 이온 저장층(136)은 이온성 물질을 포함함에 따라 시냅스 특성을 갖는다. 일예로, 시냅스 자극 스파이크(spike)는 이온 저장층(136) 하부에 형성된 채널층(134)을 향해 활성 이온을 이동시키고, 시냅스 반응 전류(excitatory post-synaptic current, 드레인 전류)를 발생시킨다. 이에, 채널층(134)으로 이동한 활성 이온은 전하를 끌어당기고 축적한다. 이 후, 시냅스 자극 스파이크가 끝나면, 시냅스 반응 전류가 서서히 감소함과 동시에, 활성 이온들은 점차적으로 이온 저장층(136)의 이온젤의 평형수준으로 되돌아오며 시냅스 특성을 갖는다.The ion storage layer 136 may be disposed on the middle layer 135. The ion storage layer 136 has synaptic properties because it contains an ionic material. For example, a synaptic stimulation spike moves active ions toward the channel layer 134 formed below the ion storage layer 136 and generates a synaptic current (excitatory post-synaptic current, drain current). Accordingly, the active ions that have moved to the channel layer 134 attract and accumulate charges. Afterwards, when the synaptic stimulation spike ends, the synaptic reaction current gradually decreases, and the active ions gradually return to the equilibrium level of the ion gel of the ion storage layer 136 and have synaptic characteristics.
여기서, 이온 저장층(136) 내에 형성된 활성 이온은 H+, Li+, Na+등의 양이온 또는 O2-와 같은 음이온을 포함할 수 있다. 또한, 이온 저장층(136)의 활성 이온이 이동되는 채널층(134)은 상기 활성 이온에 의해 전도도가 변화되는 물질로 형성됨이 바람직하다. 일예로, 이온 저장층(136)은 Gd2O3 또는 CeO2의 물질로 형성됨이 바람직하다.Here, the active ions formed in the ion storage layer 136 may include cations such as H + , Li + , Na + or anions such as O 2 - . Additionally, the channel layer 134 through which the active ions of the ion storage layer 136 move is preferably formed of a material whose conductivity changes due to the active ions. For example, the ion storage layer 136 is preferably formed of a material such as Gd 2 O 3 or CeO 2 .
게이트 전극(137)은 이온 저장층(136) 상에 형성될 수 있다. 게이트 전극(137)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.The gate electrode 137 may be formed on the ion storage layer 136. The gate electrode 137 may include a barrier metal film and a metal film. For example, the barrier metal film may be made of a metal nitride film such as titanium nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, hafnium nitride, and zirconium nitride. The metal film may be made of one or a combination of tungsten, copper, hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum, ruthenium, palladium, platinum, cobalt, nickel, and conductive metal nitride.
상기 게이트 전극(137)에 외부에서 전압 또는 전류가 인가되면 인가된 입력 신호에 의해 이온 저장층(136)과 채널층(134) 사이에서 활성 이온이 이동하게 되고, 활성 이온의 이동에 의해 채널층(134) 내의 활성 이온 양이 변경되어 채널층(134)의 전도도가 변하기 때문에 시냅틱 특성인 억제(depression) 특성 및 증강(potentiation) 특성을 갖는다.When a voltage or current is externally applied to the gate electrode 137, active ions move between the ion storage layer 136 and the channel layer 134 by the applied input signal, and the movement of the active ions causes the channel layer to move. Since the amount of active ions in (134) changes and the conductivity of the channel layer 134 changes, it has synaptic properties of depression and potentiation.
상술한 바와 같이, 시냅스 소자(130)는 소스 전극(131), 드레인 전극(133) 및 게이트 전극(137)을 포함하는 이온 기반 3단자 시냅스 소자(130)일 수 있다.As described above, the synapse device 130 may be an ion-based three-terminal synapse device 130 including a source electrode 131, a drain electrode 133, and a gate electrode 137.
계속해서, 열 발생 소자(140)는 기판(110)과 제1 절연층(120) 사이에 형성될 수 있다. 일예로, 기판(110) 상에 형성된 열 발생 소자(140)는 제1 절연층(120)에 의해 매립될 수 있다. 열 발생 소자(140)는 Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC 및 Graphene 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.Subsequently, the heat generating element 140 may be formed between the substrate 110 and the first insulating layer 120. For example, the heat generating element 140 formed on the substrate 110 may be buried by the first insulating layer 120. The heat generating element 140 may be made of any one of Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC, and Graphene.
열 발생 소자(140)는 인가되는 전류에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 따라서, 열 발생 소자(140)의 상부에 배치된 시냅스 소자(130)는 열 발생 소자(140)에서 발생된 열에 의해 가열될 수 있다. 일예로, 시냅스 소자(130)는 줄 가열(Joul heating)을 발생시키는 열 발생 소자(140)에 의해 가열되어 고온 상태를 갖거나, 또는 열 발생 소자(140)에서 발생되는 열을 차단함으로써 저온 또는 상온 상태를 가질 수 있다.The heat generating element 140 may generate heat by an applied current. Accordingly, the synapse element 130 disposed on top of the heat generating element 140 may be heated by the heat generated by the heat generating element 140. As an example, the synapse element 130 is heated by the heat generating element 140 that generates Joule heating to have a high temperature state, or is in a low temperature state by blocking the heat generated from the heat generating element 140. It can be at room temperature.
도 2는 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 프로그램 동작을 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the program operation of a three-terminal synapse device according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 리드 동작을 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the lead operation of a three-terminal synapse device according to the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 게이트 전극(137)에 포지티브 바이어스(positive bias)를 인가하면, 중간층(135) 내에서 활성 이온(O2-)이 이온 저장층(136) 방향으로 이동하게 되고, 채널층(134)의 활성 이온(O2-)은 중간층(135) 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라, 채널층(134)의 산소 조성은 감소하게 되고, 전도도는 증가하게 된다. 또한, 게이트 전극(137)에 네거티브 바이어스(negative bias)를 인가하면, 활성 이온(O2-)은 이온 저장층(136)에서 중간층(135)을 거쳐 채널층(134)으로 주입되기 때문에 채널층(134)의 산소 조성 증가에 따라 전도도는 감소하게 된다.Referring to Figures 2 and 3, when a positive bias is applied to the gate electrode 137, active ions (O 2- ) move in the direction of the ion storage layer 136 within the middle layer 135. , the active ions (O 2- ) of the channel layer 134 move toward the middle layer 135. Accordingly, the oxygen composition of the channel layer 134 decreases and the conductivity increases. In addition, when a negative bias is applied to the gate electrode 137, active ions (O 2- ) are injected from the ion storage layer 136 through the middle layer 135 into the channel layer 134, so that the channel layer As the oxygen composition of (134) increases, the conductivity decreases.
이때, 열 발생 소자(140)에 전원을 인가하여 시냅스 소자(130)에 열을 공급하게 되면, 줄 가열(Joule heating)에 의해 시냅스 소자(130)는 고온 상태가 되어 도 2에서와 같이, 활성 이온(O2-)의 이동이 촉진될 수 있다. 따라서, 동일한 바이어스에서 더 많은 활성 이온(O2-)의 이동을 발생시킬 수 있다. 이러한 활성 이온(O2-)의 이동을 촉진하는 고온 상태는 활성 이온(O2-)의 이동이 필수적인 프로그램 과정에 적용될 수 있다. 즉, 프로그램 과정에서 활성 이온(O2-)의 이동을 촉진시킴으로써, 트레이닝(training) 속도를 향상시킬 수 있고, 확장된 전도도 범위에서 시냅스 소자(130)를 동작시킬 수 있는 효과를 갖는다.At this time, when power is applied to the heat generating element 140 to supply heat to the synapse element 130, the synapse element 130 is in a high temperature state due to Joule heating and is active, as shown in FIG. 2. The movement of ions (O 2- ) can be promoted. Therefore, the movement of more active ions (O 2- ) can occur at the same bias. This high-temperature state that promotes the movement of active ions (O 2- ) can be applied to programming processes in which movement of active ions (O 2- ) is essential. That is, by promoting the movement of active ions (O 2- ) during the programming process, the training speed can be improved and the synapse device 130 can be operated in an expanded conductivity range.
프로그램 과정이 완료된 후에는, 열 발생 소자(140)에 인가되는 전원을 차단하여 시냅스에 공급되는 열이 차단되도록 할 수 있다. 시냅스 소자(130)에 공급되는 열을 차단함으로써, 시냅스 소자(130)는 저온 또는 상온 상태를 가질 수 있다. 저온 또는 상온 상태에 의해 활성 이온(O2-)의 이동은 도 3에서와 같이, 고온 상태에 비해 상대적으로 억제될 수 있다. 이러한 저온 또는 상온 상태는 트레이닝 이후 리드(read) 과정에 적용될 수 있다. 즉, 트레이닝 이후 추론(inference) 과정에서는 학습한 가중치(weight) 값을 유지해야 하기 때문에, 동작 온도를 상온 수준으로 낮춰 활성 이온(O2-)의 이동을 억제시킴으로써 시냅스 소자(130)의 보존성(retention)을 향상시킬 수 있다.After the programming process is completed, the power applied to the heat generating element 140 can be turned off to block the heat supplied to the synapse. By blocking the heat supplied to the synapse element 130, the synapse element 130 can be maintained at a low temperature or at room temperature. As shown in FIG. 3, the movement of active ions (O 2- ) at low or room temperature can be relatively suppressed compared to the high temperature state. These low or room temperature conditions can be applied to the read process after training. In other words, since the learned weight value must be maintained in the inference process after training, the operating temperature is lowered to room temperature to suppress the movement of active ions (O 2- ) to preserve the synapse element 130 ( retention) can be improved.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자(130)는 시냅스 소자(130)에 열을 공급할 수 있는 열 발생 소자(140)를 이용하여 시냅스 소자(130)가 고온 상태 또는 상온 상태를 갖도록 할 수 있다. 또한, 고온 상태에서는 활성 이온의 이동이 필수적인 프로그램 과정을 수행하고, 상온 상태에서는 가중치값을 유지해야 하는 리드 과정을 수행함으로써 학습 정확도 및 데이터 보존성을 향상시킬 수 있다.As described above, the three-terminal synapse device 130 according to the present invention uses a heat generating device 140 capable of supplying heat to the synapse device 130 so that the synapse device 130 has a high temperature state or a room temperature state. can do. In addition, learning accuracy and data preservation can be improved by performing a program process that requires movement of active ions at high temperature and a read process that requires maintaining weight values at room temperature.
도 4는 본 발명에 따른 열 발생 소자의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.Figure 4 is a diagram showing various embodiments of a heat generating element according to the present invention.
도 4를 참조하면, 도 4(a)는 열 발생 소자(140)의 지그재그 형태를 나타내고, 도 4(b)는 열 발생 소자(140)의 이중 나선(Double spiral) 형태를 나타낸다. 또한, 도 4(c)는 열 발생 소자(140)의 S-형태를 나타내고, 도 4(d)는 열 발생 소자(140)의 팬 형태를 나타낸다. 이러한, 열 발생 소자(140)의 형태는 시냅스 소자(130)를 어레이로 형성했을 때, 열 발생 소자(140)가 시냅스 에레이가 형성된 영역을 모두 포함하도록 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 열 발생 소자(140)가 시냅스 어레이를 모두 포함하고, 시냅스 어레이에 형성된 각각의 시냅스 소자(130)에 골고루 열을 공급할 수 있는 형상이라면, 어떤 형상이든 가능하다.Referring to FIG. 4, FIG. 4(a) shows the zigzag shape of the heat generating element 140, and FIG. 4(b) shows the double spiral shape of the heat generating element 140. Additionally, FIG. 4(c) shows the S-shape of the heat generating element 140, and FIG. 4(d) shows the fan shape of the heat generating element 140. When the synapse elements 130 are formed in an array, the heat generating element 140 is preferably formed so that it includes all of the areas where the synapse array is formed. In other words, the heat generating element 140 can have any shape as long as it includes all synapse arrays and can evenly supply heat to each synapse element 130 formed in the synapse array.
도 5는 본 발명의 3단자 시냅스 어레이를 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a three-terminal synapse array of the present invention.
도 6은 본 발명의 3단자 시냅스 어레이의 제조과정을 나타낸 도면이다.Figure 6 is a diagram showing the manufacturing process of the three-terminal synapse array of the present invention.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 3단자 시냅스 어레이는 기판(110), 열 발생 소자(140), 제1 절연층(120) 및 시냅스 어레이(230)를 포함한다.Referring to Figures 5 and 6, the three-terminal synapse array of the present invention includes a substrate 110, a heat generating element 140, a first insulating layer 120, and a synapse array 230.
열 발생 소자(140)는 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 일예로, 열 발생 소자(140)는 지그재그 형태를 가질 수 있다. 상기 열 발생 소자(140)의 지그재그 간격은 열 발생 소자(140) 상부에 형성되는 시냅스 소자(130)가 모두 포함되도록 하고, 각각의 시냅스 소자(130)에 모두 열이 공급되도록 하는 지그재그 간격을 가질 수 있다.The heat generating element 140 may be formed on the substrate 110 . For example, the heat generating element 140 may have a zigzag shape. The zigzag interval of the heat generating element 140 is such that all synapse elements 130 formed on the heat generating element 140 are included, and the zigzag spacing is such that heat is supplied to each synapse element 130. You can.
제1 절연층(120)은 기판(110) 상에 형성되되, 전원이 인가되는 부위를 제외한 열 발생 소자(140)의 모든 영역이 포함되도록 형성될 수 있다. 즉, 열 발생 소자(140)는 전원이 인가되는 부위를 제외한 모든 영역이 제1 절연층(120)에 의해 매립될 수 있다.The first insulating layer 120 may be formed on the substrate 110 to cover all areas of the heat generating element 140 except for the area where power is applied. That is, all areas of the heat generating element 140 except the area where power is applied may be buried by the first insulating layer 120.
제1 절연층(120) 상에는 시냅스 어레이(230)가 형성될 수 있다. 시냅스 어레이(230)는 소스 전극(131)들, 제2 절연층(132)들, 드레인 전극(133)들, 채널층(134)들, 중간층(135)들, 이온 저장층(136)들 및 게이트 전극(137)들을 포함하는 3단자 시냅스 어레이(230)일 수 있다.A synapse array 230 may be formed on the first insulating layer 120. The synapse array 230 includes source electrodes 131, second insulating layers 132, drain electrodes 133, channel layers 134, intermediate layers 135, ion storage layers 136, and It may be a three-terminal synapse array 230 including gate electrodes 137.
제1 절연층(120) 상에는 돌출 부위(101)를 갖는 소스 전극(131)들이 어레이 형태로 형성될 수 있다. 일예로, 소스 전극(131)들은 바(bar) 형태로 형성되되, 소스 전극(131)의 길이 방향에 수직한 방향으로 다수 배열될 수 있다. 이때, 돌출 부위(101)는 소스 전극(131)의 길이 방향으로 소정의 간격으로 이격되어 다수 형성될 수 있다.Source electrodes 131 having protruding portions 101 may be formed in an array form on the first insulating layer 120 . For example, the source electrodes 131 may be formed in a bar shape, and may be arranged in multiple numbers in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the source electrode 131. At this time, a plurality of protruding portions 101 may be formed spaced apart at predetermined intervals in the longitudinal direction of the source electrode 131.
제2 절연층(132)들은 소스 전극(131)들 상에 형성되되, 소스 전극(131)들과 수직한 방향으로 서로 교차하도록 형성될 수 있다. 제2 절연층(132)들은 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)와 소정 거리 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.The second insulating layers 132 may be formed on the source electrodes 131 to intersect each other in a direction perpendicular to the source electrodes 131. The second insulating layers 132 are preferably formed to be spaced apart from the protruding portion 101 of the source electrode 131 by a predetermined distance.
드레인 전극(133)들은 제2 절연층(132)들 상에 형성될 수 있다. 또한, 드레인 전극(133)들은 소스 전극(131)들과 수직한 방향으로 형성되되, 소스 전극(131)의 돌출 부위(101)와 이격되도록 형성될 수 있다. 이때, 드레인 전극(133)들의 상부면은 소스 전극(131)의 돌출 부위(101) 상부면과 동일 평면이 되도록 형성될 수 있다.Drain electrodes 133 may be formed on the second insulating layers 132. Additionally, the drain electrodes 133 may be formed in a direction perpendicular to the source electrodes 131 and spaced apart from the protruding portion 101 of the source electrode 131. At this time, the upper surfaces of the drain electrodes 133 may be formed to be flush with the upper surface of the protruding portion 101 of the source electrode 131.
채널층(134)들은 소스 전극(131)의 돌출 부위(101) 상부면에서 드레인 전극(133) 상부면까지 연장되도록 어레이 형태로 형성될 수 있다. 또한, 채널층(134)들 상에는 중간층(135), 이온 저장층(136)이 순차적으로 형성될 수 있다.The channel layers 134 may be formed in an array form to extend from the upper surface of the protruding portion 101 of the source electrode 131 to the upper surface of the drain electrode 133. Additionally, an intermediate layer 135 and an ion storage layer 136 may be sequentially formed on the channel layers 134.
게이트 전극(137)들은 이온 저장층(136) 상에 형성되되, 소스 전극(131)의 길이 방향으로 형성된 이온 저장층(136)들과 서로 접하도록 바 형태로 형성될 수 있다. 또한, 소스 전극(131)들과 동일하게 길이 방향에 수직한 방향으로 다수 배열되도록 형성될 수 있다.The gate electrodes 137 may be formed on the ion storage layer 136 and may be formed in a bar shape so as to contact the ion storage layers 136 formed in the longitudinal direction of the source electrode 131. Additionally, like the source electrodes 131, a plurality of them may be arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
도 7은 본 발명의 3단자 시냅스 어레이를 나타낸 회로도이다.Figure 7 is a circuit diagram showing the three-terminal synapse array of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 3단자 시냅스 어레이(230)는 뉴로모픽 시스템에서 각각 소스가 로우(row) 라인에 연결되고, 드레인이 컬럼(column) 라인에 연결된다. 또한, 게이트는 게이트(gate) 라인에 연결되는 구성을 갖는다.Referring to FIG. 7, the three-terminal synapse array 230 of the present invention has a source connected to a row line and a drain connected to a column line in a neuromorphic system. Additionally, the gate has a configuration connected to a gate line.
이러한 3단자 시냅스 어레이(230)는 도 7에서와 같이, 지그재그 형태를 갖는 열 발생 소자(140) 상에 형성될 수 있다. 열 발생 소자(140)는 3단자 시냅스 어레이(230)를 포함하도록 형성되어, 줄 가열을 통해 3단자 시냅스 소자(130)에 열이 공급 또는 차단되도록 할 수 있다.This three-terminal synapse array 230 may be formed on the heat generating element 140 having a zigzag shape, as shown in FIG. 7 . The heat generating element 140 is formed to include a three-terminal synapse array 230, so that heat can be supplied to or blocked from the three-terminal synapse element 130 through joule heating.
3단자 시냅스 어레이(230)는 이러한 열 발생 소자(140)의 열 공급에 따른 고온 상태 또는 열 차단에 따른 상온 상태를 이용하여 프로그램 과정과 리드 과정을 수행할 수 있다. 즉, 3단자 시냅스 어레이(230)를 서로 다른 온도 범위에서 동작되도록 함으로써 고온에서는 향상된 이온 움직임을 통한 이상적인 트레이닝 특성 및 저온 또는 상온에서는 저하된 이온 움직임을 통한 높은 수준의 보존성 특성을 확보할 수 있다.The three-terminal synapse array 230 can perform a program process and a read process using a high temperature state due to heat supply from the heat generating element 140 or a room temperature state due to heat cutoff. In other words, by allowing the three-terminal synapse array 230 to operate in different temperature ranges, ideal training characteristics through improved ion movement at high temperatures and high-level preservation characteristics through reduced ion movement at low or room temperature can be secured.
도 8은 본 발명의 3단자 시냅스 어레이를 이용한 동작 방법을 나타낸 순서도이다.Figure 8 is a flowchart showing an operation method using the three-terminal synapse array of the present invention.
도 9는 본 발명의 3단자 시냅스 어레이 및 열 발생 소자의 동작을 나타낸 타이밍도이다.Figure 9 is a timing diagram showing the operation of the three-terminal synapse array and heat generating element of the present invention.
여기서, 도 9(a)는 게이트단 및 드레인 단의 전압 변화를 나타내고, 도 9(b)는 열 발생 소자(140)에 인가되는 전류 및 인가되는 전류에 따라 3단자 시냅스 소자(130)의 온도 변화를 나타낸다. 또한, 도 9(c)는 3단자 시냅스 소자(130)의 채널 전도도 변화를 나타낸다.Here, Figure 9(a) shows the voltage change at the gate and drain stages, and Figure 9(b) shows the current applied to the heat generating element 140 and the temperature of the three-terminal synapse element 130 according to the applied current. represents change. Additionally, Figure 9(c) shows changes in channel conductance of the three-terminal synapse element 130.
도 8 및 도 9를 참조하면, 우선, t1 구간에서, 기판(110)과 3단자 시냅스 어레이(230) 사이에 형성된 열 발생 소자(140)에 전원이 인가된다. 열 발생 소자(140)는 흐르는 전류에 의해 줄 열이 발생되고, 열 발생 소자(140)에 발생된 열은 상부에 배치된 3단자 시냅스 어레이(230)에 공급될 수 있다. 열 발생 소자(140)에서 발생된 열에 의해 3단자 시냅스 어레이(230)가 고온 상태가 되면, 프로그램 동작이 수행될 수 있다.Referring to Figures 8 and 9, first, in the t1 section, power is applied to the heat generating element 140 formed between the substrate 110 and the three-terminal synapse array 230. The heat generating element 140 generates joule heat by a flowing current, and the heat generated by the heat generating element 140 may be supplied to the three-terminal synapse array 230 disposed at the top. When the three-terminal synapse array 230 is in a high temperature state due to the heat generated from the heat generating element 140, a program operation may be performed.
즉, 3단자 시냅스 어레이(230)가 열 발생 소자(140)에서 발생되는 열에 의해 고온 상태가 되면, t2 구간에서, 게이트 전극(137)에 프로그램 동작을 위한 게이트 펄스(pulse)가 인가된다. 게이트 펄스가 인가되면, 인가되는 게이트 펄스에 의해 활성 이온의 이동에 의한 채널 전도도 변화(training)가 진행된다. 이때, 고온 환경에서의 향상된 이온 이동 특성에 의해 향상된 트레이닝 속도(training speed) 및 전도도 변화 특성을 확보할 수 있다.That is, when the three-terminal synapse array 230 is in a high temperature state due to heat generated from the heat generating element 140, a gate pulse for a program operation is applied to the gate electrode 137 in the t2 period. When a gate pulse is applied, channel conductance changes (training) due to movement of active ions due to the applied gate pulse. At this time, improved training speed and conductivity change characteristics can be secured due to improved ion movement characteristics in a high temperature environment.
프로그램 과정이 완료되면, t3 구간에서, 열 발생 소자(140)에 인가되는 전류를 차단하여 3단자 시냅스 어레이(230)가 고온 상태에서 냉각되도록 한다. 따라서, 3단자 시냅스 어레이(230)는 저온 상태 또는 상온 상태를 가질 수 있다.When the programming process is completed, in the t3 section, the current applied to the heat generating element 140 is blocked to cool the three-terminal synapse array 230 from a high temperature state. Accordingly, the three-terminal synapse array 230 may have a low temperature state or a room temperature state.
3단자 시냅스 어레이(230)가 상온 상태가 되면, 리드 동작이 수행될 수 있다. 즉, 3단자 시냅스 어레이(230)가 상온 상태를 가지면, t4 구간에서 게이트 전극(137)에 리드 동작을 위한 게이트 펄스가 인가된다. 프로그램 과정 이후, 학습한 가중치 값을 유지하기 위해 동작 온도를 상온 수준으로 낮춰 활성 이온의 이동을 억제시킴으로써 3단자 시냅스 소자(130)의 안정적인 보존성 특성을 확보할 수 있다.When the three-terminal synapse array 230 is at room temperature, a read operation can be performed. That is, when the three-terminal synapse array 230 is at room temperature, a gate pulse for a read operation is applied to the gate electrode 137 in the t4 period. After the programming process, in order to maintain the learned weight value, the operating temperature is lowered to room temperature to suppress the movement of active ions, thereby ensuring stable preservation characteristics of the three-terminal synapse device 130.
도 10은 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자의 온도 변화에 따른 트레이닝 특성 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 10 is a graph showing changes in training characteristics according to temperature changes of the three-terminal synapse device according to the present invention.
여기서, 도 10(a),(b)는 열 발생 소자(140)를 포함하는 3단자 시냅스 소자(130)에 있어서, 채널층(134)을 WO2.7 물질로, 이온 저장층(136)은 Gd2O3로 형성하되, 중간층(135)의 물질을 각각 HfO2, ZrO2로 형성했을 때의 3단자 시냅스 소자(130)의 채널 전도도 변화를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 10(c)는 HfO2, ZrO2의 중간층(135) 물질에 따른 트레이닝 속도를 나타낸 그래프이다.Here, Figures 10 (a) and (b) show the three-terminal synapse device 130 including the heat generating device 140, where the channel layer 134 is made of WO 2.7 material and the ion storage layer 136 is made of Gd. This is a graph showing the change in channel conductance of the three-terminal synapse element 130 when it is formed of 2 O 3 and the materials of the middle layer 135 are formed of HfO 2 and ZrO 2 , respectively. Additionally, Figure 10(c) is a graph showing the training speed according to the material of the middle layer 135 of HfO 2 and ZrO 2 .
우선, 도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 중간층(135)이 각각 HfO2, ZrO2 로 형성된 3단자 시냅스 소자(130) 모두 온도가 높아질수록 활성 이온의 움직임이 촉진되어 채널 전도도 변화가 크게 발생되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 고온에서 트레이닝 속도가 향상됨을 확인할 수 있다.First, referring to FIGS. 10(a) and 10(b), the middle layer 135 is formed of HfO 2 and ZrO 2 , respectively. In the three-terminal synapse device 130, as the temperature increases, the movement of active ions is promoted, thereby promoting the channel. It can be seen that there is a significant change in conductivity. In other words, it can be seen that the training speed improves at high temperatures.
또한, 도 10(c)를 참조하면, 중간층(135)이 HfO2 물질로 형성된 3단자 시냅스 소자(130)보다 중간층(135)이 ZrO2 물질로 형성된 3단자 시냅스 소자(130)에서 온도 상승에 따른 트레이닝 속도의 향상 정도가 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 이는, 온도 증가에 따른 트레이닝 속도 개선 특성은 전해질 내부의 활성 이온(O2-) 이동의 에너지 장벽이 높을수록 더 효과적으로 발생하는 것에 기인하기 때문이다.In addition, referring to FIG. 10 (c), the temperature rise in the three-terminal synapse device 130 in which the middle layer 135 is made of ZrO 2 material is higher than in the three-terminal synapse device 130 in which the middle layer 135 is made of HfO 2 material. It can be seen that the degree of improvement in training speed is greater. This is because the training speed improvement characteristic as temperature increases occurs more effectively as the energy barrier for movement of active ions (O 2- ) inside the electrolyte is higher.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3단자 시냅스 소자는 시냅스 소자(130)에 열을 공급할 수 있는 열 발생 소자(140)를 이용하여 시냅스 소자(130)가 고온 상태 또는 상온 상태를 갖도록 할 수 있다. 또한, 고온 상태에서는 활성 이온의 이동이 필수적인 프로그램 과정을 수행하고, 상온 상태에서는 가중치값을 유지해야 하는 리드 과정을 수행함으로써 학습 정확도 및 데이터 보존성을 향상시킬 수 있다.As described above, the three-terminal synapse device according to the present invention uses a heat generating device 140 capable of supplying heat to the synapse device 130, allowing the synapse device 130 to have a high temperature state or a room temperature state. . In addition, learning accuracy and data preservation can be improved by performing a program process that requires movement of active ions at high temperature and a read process that requires maintaining weight values at room temperature.
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.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.
110 : 기판 120 : 제1 절연층
130 : 시냅스 소자 131 : 소스 전극
132 : 제2 절연층 133 : 드레인 전극
134 : 채널층 135 : 중간층
136 : 이온 저장층 137 : 게이트 전극
140 : 열 발생 소자110: substrate 120: first insulating layer
130: synapse element 131: source electrode
132: second insulating layer 133: drain electrode
134: channel layer 135: middle layer
136: ion storage layer 137: gate electrode
140: heat generating element
Claims (18)
상기 기판 상에 형성된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 형성된 시냅스 소자; 및
상기 기판과 상기 제1 절연층 사이에 형성되고, 상기 시냅스 소자에 열을 공급하는 열 발생 소자를 포함하고,
상기 시냅스 소자는,
상기 제1 절연층 상에 형성되되, 상부 방향으로 돌출된 돌출 부위를 갖는 소스 전극;
상기 소스 전극 상에 형성되되, 상기 소스 전극의 돌출 부위와 이격되어 형성된 제2 절연층;
상기 제2 절연층 상에 형성된 드레인 전극;
상기 소스 전극의 돌출 부위 및 상기 드레인 전극 상에 형성된 채널층;
상기 채널층 상에 형성된 중간층;
상기 중간층 상에 형성된 이온 저장층; 및
상기 이온 저장층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.Board;
a first insulating layer formed on the substrate;
A synapse element formed on the first insulating layer; and
It is formed between the substrate and the first insulating layer, and includes a heat generating element that supplies heat to the synapse element,
The synapse element is,
a source electrode formed on the first insulating layer and having a protruding portion protruding upward;
a second insulating layer formed on the source electrode and spaced apart from a protruding portion of the source electrode;
a drain electrode formed on the second insulating layer;
a channel layer formed on a protruding portion of the source electrode and the drain electrode;
an intermediate layer formed on the channel layer;
an ion storage layer formed on the intermediate layer; and
An ion-based three-terminal synapse device in which a heating element including a gate electrode formed on the ion storage layer is integrated.
상기 열 발생 소자는 상기 제1 절연층에 매립되도록 형성되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The heat generating element is an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heat generating element, wherein the heat generating element is formed to be buried in the first insulating layer.
상기 열 발생 소자는 Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC 및 Graphene 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The heat generating element is an ion-based three-terminal synapse element with an integrated heat generating element formed of any one of Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC, and Graphene.
상기 열 발생 소자는 상기 시냅스 소자가 형성된 영역을 포함하도록 지그재그 형태를 갖는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The heat generating element is an ion-based three-terminal synapse element with an integrated heat generating element having a zigzag shape to include a region where the synapse element is formed.
상기 시냅스 소자는 상기 열 발생 소자의 동작에 의한 고온 상태 및 상기 열 발생 소자 동작이 중지된 상온 상태를 갖는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The synapse device is an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heat generating device, wherein the synaptic device has a high temperature state due to the operation of the heat generating device and a room temperature state when the operation of the heat generating device is stopped.
상기 시냅스 소자는 상기 고온 상태에서 프로그램(program) 동작이 수행되고, 상기 상온 상태에서 리드(read) 동작이 수행되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to clause 5,
The synapse device is an ion-based three-terminal synapse device integrated with a heat-generating device in which a program operation is performed in the high temperature state and a read operation is performed in the room temperature state.
상기 중간층은 YSZ, HfO2 및 ZrO2 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The intermediate layer is an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heating element formed of any one of YSZ, HfO 2 and ZrO 2 .
상기 이온 저장층은 Gd2O3 또는 CeO2의 물질로 형성되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The ion storage layer is an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heating element formed of a material of Gd 2 O 3 or CeO 2 .
상기 채널층은 WOx(2.6<x<3) 또는 TiOx(1.7<x<2)의 물질로 형성되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 소자.According to paragraph 1,
The channel layer is an ion-based three-terminal synapse device with an integrated heating element formed of a material of WO x (2.6<x<3) or TiO x (1.7<x<2).
상기 기판 상에 형성된 열 발생 소자;
상기 열 발생 소자 상에 형성된 제1 절연층; 및
상기 제1 절연층 상에 형성된 시냅스 어레이를 포함하고,
상기 열 발생 소자는 상기 시냅스 어레이가 형성된 영역을 포함하도록 형성되며,
상기 시냅스 어레이는,
상기 제1 절연층 상에 어레이 형태로 형성되되, 상부 방향으로 돌출된 돌출 부위를 갖는 소스 전극들;
상기 소스 전극들과 수직한 방향으로 교차하도록 상기 소스 전극들 상에 형성되되, 상기 소스 전극들의 돌출 부위와 이격되어 형성된 제2 절연층들;
상기 제2 절연층들 상에 형성된 드레인 전극들;
상기 소스 전극들의 돌출 부위 및 상기 드레인 전극들 상에 형성된 채널층들;
상기 채널층들 상에 형성된 중간층들;
상기 중간층들 상에 형성된 이온 저장층들; 및
상기 이온 저장층들 상에 형성되되, 상기 소스 전극들과 평행한 방향으로 형성된 게이트 전극들을 포함하는 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이.Board;
a heat generating element formed on the substrate;
a first insulating layer formed on the heat generating element; and
Comprising a synapse array formed on the first insulating layer,
The heat generating element is formed to include a region where the synapse array is formed,
The synapse array is,
Source electrodes formed in an array on the first insulating layer and having protruding portions protruding upward;
second insulating layers formed on the source electrodes to intersect in a direction perpendicular to the source electrodes and spaced apart from protruding portions of the source electrodes;
drain electrodes formed on the second insulating layers;
Channel layers formed on protruding portions of the source electrodes and the drain electrodes;
intermediate layers formed on the channel layers;
Ion storage layers formed on the intermediate layers; and
An ion-based three-terminal synapse array with integrated heating elements formed on the ion storage layers and including gate electrodes formed in a direction parallel to the source electrodes.
상기 열 발생 소자는 Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC 및 Graphene 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이.According to clause 11,
The heat generating element is an ion-based three-terminal synapse array with integrated heat generating elements formed of any one of Ni-Cr, Pt, Mo, Ta, W, SiC, and Graphene.
상기 열 발생 소자는 상기 시냅스 어레이가 형성된 영역을 포함하도록 지그재그 형태를 갖는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이.According to clause 11,
The heat generating element is an ion-based three-terminal synapse array with integrated heat generating elements having a zigzag shape to include an area where the synapse array is formed.
상기 열 발생 소자의 줄 히팅(joule heating)에 의해 고온 상태를 갖는 상기 3단자 시냅스 어레이에 프로그램(program) 동작을 수행하는 단계;
상기 열 발생 소자에 인가된 전원을 차단하는 단계; 및
상기 열 발생 소자의 전원 차단에 의해 상온 상태를 갖는 상기 3단자 시냅스 어레이에 리드(read) 동작을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 3단자 시냅스 어레이는,
상기 제1 절연층 상에 어레이 형태로 형성되되, 상부 방향으로 돌출된 돌출 부위를 갖는 소스 전극들;
상기 소스 전극들과 수직한 방향으로 교차하도록 상기 소스 전극들 상에 형성되되, 상기 소스 전극들의 돌출 부위와 이격되어 형성된 제2 절연층들;
상기 제2 절연층들 상에 형성된 드레인 전극들;
상기 소스 전극들의 돌출 부위 및 상기 드레인 전극들 상에 형성된 채널층들;
상기 채널층들 상에 형성된 중간층들;
상기 중간층들 상에 형성된 이온 저장층들; 및
상기 이온 저장층들 상에 형성되되, 상기 소스 전극들과 평행한 방향으로 형성된 게이트 전극들을 포함하는 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이의 동작 방법.Applying power to a heat generating element formed by being embedded in the first insulating layer between the substrate and the three-terminal synapse array;
performing a program operation on the three-terminal synapse array having a high temperature by joule heating of the heat generating element;
Cutting off power applied to the heat generating element; and
Comprising the step of performing a read operation on the three-terminal synapse array having a room temperature state by turning off the power of the heat generating element,
The three-terminal synapse array is,
Source electrodes formed in an array on the first insulating layer and having protruding portions protruding upward;
second insulating layers formed on the source electrodes to intersect in a direction perpendicular to the source electrodes and spaced apart from protruding portions of the source electrodes;
drain electrodes formed on the second insulating layers;
Channel layers formed on protruding portions of the source electrodes and the drain electrodes;
intermediate layers formed on the channel layers;
Ion storage layers formed on the intermediate layers; and
A method of operating an ion-based three-terminal synapse array with integrated heating elements formed on the ion storage layers and including gate electrodes formed in a direction parallel to the source electrodes.
상기 3단자 시냅스 어레이의 상기 고온 상태에서 상기 프로그램 동작을 위한 게이트 펄스를 인가하는 단계를 포함하는 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이의 동작 방법.The method of claim 15, wherein performing the program operation includes:
A method of operating an ion-based three-terminal synapse array with integrated heating elements, comprising the step of applying a gate pulse for the program operation in the high temperature state of the three-terminal synapse array.
상기 3단자 시냅스 어레이의 상기 상온 상태에서 상기 리드 동작을 위한 게이트 펄스를 인가하는 단계를 포함하는 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이의 동작 방법.The method of claim 15, wherein performing the read operation includes:
A method of operating an ion-based three-terminal synapse array with integrated heating elements, comprising the step of applying a gate pulse for the read operation in the room temperature state of the three-terminal synapse array.
상기 열 발생 소자는 상기 3단자 시냅스 어레이가 형성된 영역을 포함하도록 지그재그 형태를 갖는 것인 발열 소자가 집적화된 이온 기반 3단자 시냅스 어레이의 동작 방법.According to clause 15,
A method of operating an ion-based three-terminal synapse array with integrated heat generating elements, wherein the heat generating element has a zigzag shape to include a region where the three-terminal synapse array is formed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210140945A KR102641821B1 (en) | 2021-10-21 | 2021-10-21 | Ion-based 3-Terminal Synapse Device with Integrated Heating Element, 3-Terminal Synapse Array having the Same and Method of Operation the Same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210140945A KR102641821B1 (en) | 2021-10-21 | 2021-10-21 | Ion-based 3-Terminal Synapse Device with Integrated Heating Element, 3-Terminal Synapse Array having the Same and Method of Operation the Same |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20230057016A KR20230057016A (en) | 2023-04-28 |
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ID=86143050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210140945A KR102641821B1 (en) | 2021-10-21 | 2021-10-21 | Ion-based 3-Terminal Synapse Device with Integrated Heating Element, 3-Terminal Synapse Array having the Same and Method of Operation the Same |
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