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Jul 25, 2023

AI를 겨냥한 고속 뉴로모픽 전기이중층 트랜지스터…

이 트랜지스터는 미래 사건 예측 및 이미지의 패턴 인식/결정을 포함하여 광범위한 응용 분야를 갖춘 에너지 효율적인 고속 에지 AI 장치를 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

이 트랜지스터는 미래 사건 예측과 이미지(예: 얼굴 인식), 음성 및 냄새의 패턴 인식/결정을 포함하여 광범위한 응용 분야를 갖춘 에너지 효율적인 고속 엣지 AI 장치를 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

전기이중층 트랜지스터는 전해질과 반도체의 계면에 형성된 전기이중층의 충방전으로 인한 전기저항 변화를 이용하여 스위치 역할을 한다. 이 트랜지스터는 인간 대뇌 뉴런의 전기적 반응을 모방할 수 있기 때문에(즉, 뉴로모픽 트랜지스터 역할을 함) AI 장치에서의 사용은 잠재적으로 유망합니다. 그러나 기존의 전기 이중층 트랜지스터는 온(on) 상태와 오프(off) 상태 사이의 전환이 느리다. 일반적인 전환 시간은 수백 마이크로초에서 10밀리초까지입니다. 따라서 더 빠른 전기 이중층 트랜지스터의 개발이 바람직합니다.

연구팀은 펄스레이저를 이용해 세라믹(이트리아 안정화 다공성 지르코니아 박막)과 다이아몬드 박막을 고정밀도로 증착해 세라믹/다이아몬드 계면에 전기이중층을 형성하는 전기이중층 트랜지스터를 개발했다. 지르코니아 박막은 나노기공에 많은 양의 물을 흡착할 수 있고, 물 속의 수소이온이 쉽게 이동하도록 하여 전기이중층의 급속한 충방전을 가능하게 한다. 이러한 전기 이중층 효과를 통해 트랜지스터는 매우 빠르게 작동할 수 있습니다. 연구팀은 실제로 트랜지스터에 펄스 전압을 인가해 동작 속도를 측정한 결과, 기존 전기이중층 트랜지스터보다 8.5배 빠르게 동작하는 세계 신기록을 세웠다. 또한 팀은 입력 파형을 다양한 출력 파형으로 정밀하게 변환하는 이 트랜지스터의 능력을 확인했습니다. 이는 트랜지스터가 뉴로모픽 AI 장치와 호환되기 위한 전제 조건입니다.

이번 연구에서는 수 나노미터 두께의 전기이중층을 급속 충전 및 방전할 수 있는 새로운 세라믹 박막 기술을 개발했다. 이는 실용적이고 고속이며 에너지 효율적인 AI 지원 장치를 만들기 위한 노력의 주요 성과입니다. 이들 기기는 다양한 센서(예: 스마트워치, 감시 카메라, 오디오 센서)와 결합해 의료, 방재, 제조, 보안 등 다양한 산업 분야에서 유용한 도구를 제공할 것으로 기대된다.

이미지: (왼쪽) 본 연구 프로젝트에서 개발된 전기 이중층 트랜지스터의 개략도. (오른쪽) 이 트랜지스터를 사용하면 기존 전기 이중층 트랜지스터에 비해 현저히 높은 뉴로모픽 동작 속도를 달성했습니다. 신용 국립 재료 과학 연구소 쓰치야 다카시.

이 연구는 Materials Today Advances(https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2023.100393)에 게재되었습니다.