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Mar 12, 2024

新しい電子捕獲層を備えたフォトニックシナプティックトランジスタにより、高性能かつ超高性能を実現

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12583 (2023) この記事を引用 メトリクスの詳細 フォトニック シナプス トランジスタは、ニューロモーフィックにおける潜在的な応用について研究されています

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12583 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

フォトニックシナプストランジスタは、ニューロモーフィックコンピューティングおよび人工視覚システムにおける潜在的な応用について研究されています。 最近では、チャネルと光吸収層の二重層でエネルギー障壁を形成し、電子・正孔対の再結合を阻止してシナプス効果を発現させる方法が効果を上げている。 我々は、光吸収層とゲート絶縁層の間に新しい電子トラップ層をコーティングすることによって作成された三層デバイスを報告します。 従来の二層フォトニックシナプス構造と比較して、当社の三層デバイスは再結合率を大幅に低減し、出力光電流とメモリ特性の点で性能が向上しました。 さらに、私たちのフォトニックシナプストランジスタは、ペアパルス促進（PPF）、短期増強（STP）、長期増強（LTP）などの優れたシナプス特性を備えており、-の低い動作電圧に対して良好な応答を示します。 0.1mV。 低消費電力実験では、スパイクあたり 0.01375 fJ という非常に低いエネルギー消費を示しました。 これらの発見は、将来のニューロモーフィック デバイスや人工視覚システムのパフォーマンスを向上させる方法を示唆しています。

従来のフォン・ノイマン法は、単一のチャネルを通じて逐次計算を実行するため、瞬時に生成され、ランダムに移動する大量の情報の処理には適していません。 この従来の方法では、大量のデータを処理すると、ノイマン ボトルネックと呼ばれる遅延や障害が発生し、かなりのエネルギー消費が発生する可能性があります 1,2。 そこで研究者らは、高度に統合され、情報を迅速かつ効率的に処理できる人間の脳に注目してきました。 人間の脳における単一のシナプス現象は、約 10 fJ3 という非常に低いエネルギーを消費します。 脳模倣およびニューロモーフィック シナプス デバイスは最近注目されており、可塑性特性を利用したさまざまな低電力方法が公開されています 4,5。

有機シナプスデバイスは、軽量で大面積の加工が可能であり、製造が容易で低コストであるため、魅力的です6,7。 一般に、ゲートが電位によって変調される電圧駆動の有機電界効果トランジスタ (FET) を使用するデバイスでは、電解質内でゆっくりと移動するイオンを使用してシナプス特性が実装されています。 これらの特性を利用して、さまざまな高機能デバイスやシステムが実現されています4,8,9。 皮膚センサーを備えた人工触覚システムは、強誘電体層またはイオンゲルを使用して開発されました10,11。 キムら。 は、圧力センサーとイオンゲルを組み合わせた人工求心性神経を報告しました7。

最近、ゲート電圧を使用してシナプス特性を実現するトランジスタに加えて、フォトニックシナプスデバイスが報告されています6、12、13、14、15。 電圧駆動方式と比較して、フォトニックシナプスデバイスは広い帯域幅、高速な伝送速度、低消費電力を実現できます16。 これらのフォトニックシナプス要素は、人工視覚を具現化することもできます。 人間の目が視覚情報を受け取ると、網膜の光受容体が光を電気インパルスに変換し、その光が神経を通って画像を作成および保存する脳領域に伝達されます。 人工視覚システムでは、デバイスが光を検出し、それを電気信号に変換して光情報を生成および保存します17。 フォトニックシナプストランジスタは、光信号を電気信号に迅速に変換し、同時に情報の保存に優れた特性を示します。 そのため、近年、人工視覚システムを構築するためのデバイスとして注目されている18。

有機半導体18、ペロブスカイト19、環境に優しいバイオマテリアル20などの多くの材料が光吸収層として使用されます。 このうち、六方晶系構造を持つ半導体材料である無機ハロゲン化物ペロブスカイト（CsPbBr3）を使用しました12。 ペロブスカイトは光電効率が高いため、太陽電池21や光検出器22などの光デバイスとして注目されています。 しかし、湿気には非常に弱く、大気中に長時間暴露されると光電効率が著しく低下します23。 この点において、無機材料で作られた CsPbBr3 は他の有機無機ペロブスカイトよりも優れた安定性を持っています24。