Silicon-based Floating-body Synaptic Transistor

Abstract

최근들어 초저전력으로 구동하는 새로운 방식의 두뇌모방 컴퓨팅 시스템을 개발하기 위해 생물체의 기억 동작방식을 모방하려는 여러가지 시도들이 있어왔다. 하지만 이전의 연구들은 단-장기기억 전환과 뾰족 타이밍 의존 가소성 (spike-timing-dependent plasticity

STDP)이 모두 생물학적 시냅스의 동작에 필수적인 특성임에도 불구하고 이 둘을 별개의 특성으로 다루어왔다. 본 학위논문에서는 단일 실리콘 소자에서 시냅스 특성 모두를 모방하는 실리콘 기반 플로팅 바디 시냅스 모방 트랜지스터 (silicon-based floating-body synaptic transistor

SFST)를 제안한다. SFST의 구조는 단기기억 구현을 위해 1T-DRAM의 구조를 기반으로 하였고 뒷부분에 플로팅 게이트를 추가하여 장기기억을 구현한다. SFST는 실리콘과 산화막으로만 구성되어 있어 현재 실리콘 기술로 공정을 할 수 있다는 점이 의미가 있다. 플로팅 바디 효과와 고온 반송자 주입을 이용하여 단기기억과 장기기억을 각각 모사한다. 단기기억에서 장기기억으로의 전환은 입력 바이어스의 변화 없이 이루어진다. SFST 의 STDP 특성 또한 연구되었다. 연결성이 강해질지 약해질지는 상대적인 뾰족 타이밍에 의해서만 결정된다. SFST 의 학습원리와 STDP특성은 SILVACO사에서 제공하는 ATLASTM (버전 5.18.3.R) TCAD 소자 시뮬레이터를 이용하여 설명된다.

Recently there have been very interesting approaches to mimic the memory operation of the biological system with microelectronics technology in pursuit of ultralow power brain-like computing systems. However, the previous works dealt with the transition between short- and long-term memories and spike-timing-dependent plasticity (STDP) separately, although both are essential features of biological synaptic systems. In this thesis, a novel Si-based device structure, called Si-based Floating-body Synaptic Transistor (SFST), is proposed to implement both of synaptic characteristics with a single silicon device. The structure of the SFST is based on the capacitor-less DRAM for short-term memory and is intended to have long-term memory by locating the floating-gate at the backside. Since SFST is composed of only silicon and silicon oxide, it can be fabricated using exiting silicon-technology and its superb compatibility with the currently dominant CMOS technology is a great advantage. The floating-body effect and hot carrier injection are used to mimic short- and long-term memories, respectively. In addition, the transition from short-term memory to long-term memory can be obtained without any change of input bias. The STDP of the SFST is also investigated. Whether the connectivity is strengthened or weakened is determined only by the relative spike timing. The triggering mechanism and STDP characteristics of the SFST are demonstrated using ATLASTM TCAD device simulator of SILVACO Inc. (ver. Atlas 5.18.3.R)