Advancements in Complementary Metal-Oxide Semiconductor-Compatible Tunnel Barrier Engineered Charge-Trapping Synaptic Transistors for Bio-Inspired Neural Networks in Harsh Environments

材料科学 突触后电流 晶体管 光电子学 绝缘体上的硅 俘获 硅 神经形态工程学 纳米技术 电气工程 电压 计算机科学 兴奋性突触后电位 人工神经网络 化学 工程类 生态学 生物化学 受体 机器学习 生物
作者
Dong-Hee Lee,Hamin Park,Won-Ju Cho
出处
期刊:Biomimetics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:8 (6): 506-506 被引量:2
标识
DOI:10.3390/biomimetics8060506
摘要

This study aimed to propose a silicon-on-insulator (SOI)-based charge-trapping synaptic transistor with engineered tunnel barriers using high-k dielectrics for artificial synapse electronics capable of operating at high temperatures. The transistor employed sequential electron trapping and de-trapping in the charge storage medium, facilitating gradual modulation of the silicon channel conductance. The engineered tunnel barrier structure (SiO2/Si3N4/SiO2), coupled with the high-k charge-trapping layer of HfO2 and high-k blocking layer of Al2O3, enabled reliable long-term potentiation/depression behaviors within a short gate stimulus time (100 μs), even under elevated temperatures (75 and 125 °C). Conductance variability was determined by the number of gate stimuli reflected in the maximum excitatory postsynaptic current (EPSC) and the residual EPSC ratio. Moreover, we analyzed the Arrhenius relationship between the EPSC as a function of the gate pulse number (N = 1–100) and the measured temperatures (25, 75, and 125 °C), allowing us to deduce the charge trap activation energy. A learning simulation was performed to assess the pattern recognition capabilities of the neuromorphic computing system using the modified National Institute of Standards and Technology datasheets. This study demonstrates high-reliability silicon channel conductance modulation and proposes in-memory computing capabilities for artificial neural networks using SOI-based charge-trapping synaptic transistors.
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