Structural engineering of Li based electronic synapse for high reliability

Abstract

우리는 패턴 인식과 같은 복잡한 작업을 요구하는 빅 데이터 시대에 살고 있지만 기존 컴퓨팅 시스템은 폰 노이만 병목 현상으로 인해 이러한 트렌드를 따라갈 수 없다. 작동 속도가 크게 차이가 나는 현재의 컴퓨터 구성 요소들은 대부분 분리되어 떨어져서 구성되어 있기 때문에 주기적인 데이터 통신으로 인한 병목 현상이 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 인간의 뇌에서 영감을 얻은 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템이 많은 관심을 받아 전 세계에서 연구되고 있다. 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템은 간단한 구조를 가지는데 전기적인 시냅스 장치는 메모리와 같은 데이터의 저장 및 전달을 담당하기 때문에 가장 중요한 요소 중 하나이다. 당연하게도 이상적인 전기적인 시냅스 장치를 개발하기 위한 꾸준한 노력이 지금까지 시도되어 왔으며, 기존 메모리를 사용하려는 모든 연구들은 그것들의 본질적인 한계로 인해 충분한 결과를 보여주지 못했다. 따라서, 그 대안으로 다른 작동 메커니즘이 조사되고 있으며, 리튬 이온 기반의 전기적인 시냅스 장치는 유망한 후보 중 하나로 여겨진다. 리튬 이온 시냅스 장치는 작동 메커니즘으로 전기 화학적 반응 및 이동을 이용하는데 현재까지 발표된 장치들의 대부분은 선형 및 대칭적인 컨덕턴스 변화 또는 신뢰성 (유지 및 내구성)과 같은 요구 사항을 충족하지 않는다. 따라서 작동 메커니즘과 직접적인 연관이 있는 주요 층 내부에서의 이온 확산 능력이나 전해질을 통한 이온 확산 등의 변수에 초점을 맞추었다. 먼저 다공성과 이온 확산 능력의 상관 관계를 정의하는 구조적인 엔지니어링을 수행했다. 작동 압력을 조절하여 양극 및 음극의 다공성은 3 단계로 조정되었다. 그 결과, 다공성은 음극 내부에서의 이온 이동 능력뿐만 아니라 이온 확산과 관련이 있는 계면 형태 변화에 영향을 미칠 수 있음이 검증되었다. 또한, 도출된 최적의 공정 조건을 사용하여, 포텐세이션 시 선형적인 컨덕턴스 변화를 얻었다. 디프레션 시 급격한 컨덕턴스 감소를 개선하기 위해, 고체 전해질을 양극과 음극 사이에 삽입시켰다. 이온 확산에 의한 이온 이동을 제어하여 자가 주입 현상을 방지하기 위해 LiPON을 고체 전해질로 사용했다. 결과적으로, 실온 및 고온에서 개선된 리텐션 특성을 얻었으며, 이는 전류 흐름에도 긍정적인 효과를 주었다. 또한, 1 사이클 동안 30 개의 동일한 펄스를 갖는 인듀런스 평가를 수행하였으며, 총 100 사이클 동안 거의 일정한 컨덕턴스 값이 관찰되었다. 마지막으로, 우수한 특성을 가진 2 단자 리튬 기반의 전기적인 시냅스 장치가 개발되었으며, 이는 금속 이온 기반의 시냅스 장치의 기준이 될 것으로 기대합니다.

We live in the big data era that demands complex tasks like pattern perception, but existing computing system cannot enough to go along with the world trend due to the von Neumann bottleneck. Almost components of the modern computer, which have vastly different operating speed, are organized separately and the periodic data communication between them brings about a result of unsuitable bottleneck. Hence, to solve these problems, the neuromorphic computing system which is inspired by the human brain has been got a lot of attention and are being studied around the world. The neuromorphic computing system have simple structure, the electrical synapse device is one of the most important parts because it is in charge of storing and conveying of the data like the memories. Understandably, constant and continuous efforts to develop the ideal electrical synapse device have been attempted till now, all of the studies which tries to make use of existing memories do not show sufficient results due of their intrinsic limitations. Therefore, other kinds of the operation mechanism have been investigated alternatively, the Li-ion based electrical synapse device is regarded to the one of the promising candidates. The Li-ion synapse device utilizes electrochemical reactions and migration for the operation mechanism, but most of reported devices do not meet the synapse device requirements such as the linear and symmetric conductance change or reliability (: retention and endurance). Thus, I focused on key parameters, which were directly relative with the operation mechanism, such as the ion diffusion capability in crucial layers and the ion diffusivity of an electrolyte. First, I performed structural engineering to define the correlation between the porosity and the ion diffusion capability. The porosity of both an anode and a cathode (: a-Si as an anode and LiCoO2 as a cathode were crucial layers for the migration of Li ions.) was adjusted in 3 levels by regulating the working pressure. As the results, it was proved that the porosity could affect not only the ion migration capability inside a cathode but also the morphology changes at their interface acting on the ion diffusivity. Then, the linear conductance change during potentiation was obtained by deducing the optimal fabrication condition. In addition, to eliminate the abrupt conductance change during depression, a solid-state electrolyte was interposed between a-Si and LiCoO2. I used LiPON as a solid-state electrolyte to prevent the self-injection phenomenon by controlling the ion migration thanks to the ion diffusivity of LiPON. Consequentially, enhanced retention characteristics were obtained at both room temperature and hot temperature, and it gave the current flow positive effects. Moreover, I performed the endurance evaluation which had 30 identical pulses for 1cycle, almost constant conductance values were observed during total 100 cycles. Finally, the 2-terminal Li-based electrical synapse device with excellent characteristics was developed and I expect that it will be a reference for the metal-ion based synapse device.