As the amount of data to be processed increases exponentially, a bottleneck issue between memory and processors has become indispensable. Therefore, in order to overcome this problem efforts to achieve neuromorphic computing by replacing existing CMOS-based devices with nanomaterial devices have continued while combining memories and processors away from the von neumann structure. Various hardware including RRAM, PCM-based two-terminal devices or 3-terminal devices such as floating-gate transistors and ferroelectric-based transistors have been continuously studied. Among them, 3-terminal ion transistors control the conductivity of semiconductor channels by moving ions in electrolytes, which is most similar to human nervous systems operated by ions, and are studied as synaptic devices for acceleration of neuromorphic computing due to their good linearity and symmetry. However, since the ion gel and solution most frequently used as an electrolyte material for providing ions have low scalability, reliability, and uniformity, there is a need for an electrolyte that more stably operate and be deposited in a large area.
In this work, we manufactured an ion transistor device based on a 2D MoS$_2$ channel and analyzed its characteristics using a proton conduction phenomenon that occurs when water molecules penetrate into the organic-inorganic hybrid polymer thin film synthesized by chemical vapor deposition using an initiator. The characteristics of hybrid polymer thin film can be linearly controlled by controlling the flow rate of a TMA material as a precursor during synthesis. Using these characteristics, the MoS$_2$ ion transistor manufactured in this research could adjust the conductivity of the channel very stably at 6-bit and 7-bit, and ensure the dynamic range of 10 or more required by the synapse device and high linearity. Furthermore, the uniformity of each device is high, the characteristics are stably maintained even at gate voltage pulses exceeding 50000 times, and long retention time can be secured by using the trap phenomenon of protons in the Al$_2$O$_3$ buffer layer.
처리해야 할 데이터의 양이 기하급수적으로 늘어남에 따라서, 메모리와 프로세서 사이의 버스(bus)에서 발생하는 방목현상은 필수불가결하게 커지게 되었다. 따라서 이를 극복하기 위하여 기존의 폰노이만 구조에서 벗어나 메모리 및 프로세서를 결합하는 동시에, 기존의 CMOS기반의 소자를 나노 물질 소자로 대체하여 뉴로모픽 컴퓨팅을 하고자 하는 노력은 계속해서 지속되어 왔다. RRAM, PCM을 기반으로 하는 2-단자 소자, 플로팅-게이트 트랜지스터, 강유전체 기반의 트랜지스터 등의 3-단자 소자를 포함한 다양한 하드웨어들이 지속적으로 연구되어 왔다. 그 중, 3-단자 이온 트랜지스터는 전해질 내의 이온을 움직여 반도체 채널의 전도도를 컨트롤 한다는 점이 이온을 이용해 동작되는 인간의 신경계와 가장 비슷하며, 장기 강화/장기 억제의 선형성과 대칭성이 좋아 뉴로모픽 컴퓨팅의 가속을 위한 시냅스 소자로 많은 연구가 되고있다. 하지만 이온의 제공을 위한 전해질 물질로 가장 많이 사용되는 이온 젤 및 용액은 직접도와 신뢰성, 균일성이 낮기 때문에, 안정적으로 동작하는 동시에 대면적으로 얇은 두께 증착이 가능한 전해질의 필요성이 재고된다.
본 연구에서는 개시제를 이용한 화학적 증착법으로 합성된 유-무기 하이브리드 고분자 박막에 물분자가 침투하면서 발생하는 양성자의 전도 현상을 이용하여 2D MoS$_2$ 채널 기반의 이온 트랜지스터 소자를 제작하여 그 특성을 분석하였다. 하이브리드 고분자 박막은 합성 과정에서 전구체인 TMA물질의 유량을 조절함에 따라 선형적으로 그 특성을 조절 가능하다. 이러한 특성을 이용하여 본 연구에서 제작한 MoS$_2$ 이온 트랜지스터는 6-비트, 7-비트에서 매우 안정적으로 채널의 전도도를 조절 가능하며, 시냅스 소자에서 요구되는 10이상의 Dynamic range, 높은 선형성을 확보 가능했다. 나아가, 소자 별 균일도가 높을 뿐 아니라 50000번 이상의 게이트 전압 펄스에도 안정적으로 그 특성을 유지하며, Al2O3 버퍼 레이어의 양성자의 트랩 현상을 이용하여 긴 유지 시간 또한 확보가 가능하였다.
