Enhanced Long-term Plasticity of Water-in-Bisalt/Polymer Electrolyte-gated Synaptic Transistors by Surface Treatment

Abstract

Electrolyte-gated synaptic transistors (EGTs) have been extensively studied as a next-generation neuromorphic device mimicking the biological ionic flux in synapses. However, its long-term plasticity characteristic lasts only for few seconds because of the rapid self-discharge of electrical double layer (EDL). Here, I propose ultra-violet ozone (UVO) treated water-in-bisalt (WiBS)/polymer electrolyte-gated synaptic transistor (WEST) which excellently implements multiple synaptic functions including superior long-term plasticity. Ultraviolet (UV) light and reactive oxygen radicals generated during UVO treatment form trap sites on the surface of active layer, causing lithium cations in the WiBS/polymer electrolyte to be trapped at the electrolyte/active layer interface. The nonvolatile long-term memory characteristics of the UVO-treated WEST are maintained for 10,000 s, which is about 1186 times higher than that of untreated WEST. In addition, the nonlinearity of long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) is 0.32 and -0.55 respectively, and the asymmetricity of LTP/LTD updates is 0.089, both of which show near-ideal values close to 0 after UVO treatment. The proposed surface engineering is a key method for sophisticated ion control of EGTs, which expands the applicability of EGT in the neuromorphic field.

전해질 기반의 시냅스 트랜지스터는 뇌의 신경망을 구성하는 생물학적 시냅스의 신경전달 메커니즘을 전해질 내부 이온 거동을 통해 모방한 차세대 뉴로모픽 소자로써 크게 주목받고 있다. 그러나, 전해질 절연체 내부 이온들에 의해 형성되는 전기 이중층 (electrical double layer)은 외부 전계가 사라지면 빠르게 자가 방전되어 시냅스 트랜지스터의 장기 가소성을 장시간 유지시키지 못한다는 단점이 있다. 또한, 이온성 액체 전해질은 전해질 기반 시냅스 소자의 절연체로 많이 사용됨에도 불구하고, 흡습성, 연소성 등 화학적 불안정성과 유기용매에 의한 독성, 낮은 생분해성 등의 환경 문제를 유발하여 지속적인 소자 개발에 한계로 작용하였다. 이러한 문제점들을 해결하고자, 본 연구에서는 리튬 이온이 함유된 water-in-bisalt/polymer 전해질과 ultra-violet ozone (UVO) 표면처리를 통해 시냅스 트랜지스터의 장기 가소성 및 다양한 필수적 시냅스 기능을 성공적으로 구현해냈다. UVO 처리 과정에서 형성된 활성 산소는 채널층 표면에 trap site를 형성하는데, 이때 trap site는 채널층과 전해질 절연체층의 계면에서 리튬 이온을 포획하는 ion trap site로 작용한다. 결과적으로 UVO 처리된 시냅스 소자는 10,000초 이상 비휘발성 메모리 특성을 유지하였으며 이는 기존 소자 대비 약 1186배 개선된 수치이다. 또한, 장기 강화 (LTP)와 장기 억압 (LTD) 특성의 비선형성은 각각 5.91에서 0.32로, -6.11에서 –0.55로 감소했으며, 비대칭성은 UVO 처리 전 소자 대비 10배 감소한 0.089로, 선형성과 대칭성 모두 이상적인 값 0에 근접한 결과를 얻었다. 본 연구는 계면 공정이 전해질 내 이온 거동 제어의 정교성을 높여주어 시냅스 소자의 장기기억 특성을 향상시키는 요인으로 작용함을 밝혔고, 이를 바탕으로 전해질 기반 시냅스 트랜지스터가 차세대 뉴로모픽 소자로써 높은 적합성을 보임을 증명했다.