Polarized Tunneling Transistor for Ultralow-Energy-Consumption Artificial Synapse toward Neuromorphic Computing

神经形态工程学 计算机科学 晶体管 人工神经网络 能源消耗 突触重量 高效能源利用 异质结 材料科学 人工智能 电子工程 电气工程 光电子学 工程类 电压
作者
Jing Chen,Xuechun Zhao,Yeqing Zhu,Zhenghua Wang,Zheng Zhang,Mingyuan Sun,Shuai Wang,Yu Zhang,Lin Han,Xiaoming Wu,Tian‐Ling Ren
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (1): 581-591 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08632
摘要

Neural networks based on low-power artificial synapses can significantly reduce energy consumption, which is of great importance in today's era of artificial intelligence. Two-dimensional (2D) material-based floating-gate transistors (FGTs) have emerged as compelling candidates for simulating artificial synapses owing to their multilevel and nonvolatile data storage capabilities. However, the low erasing/programming speed of FGTs renders them unsuitable for low-energy-consumption artificial synapses, thereby limiting their potential in high-energy-efficient neuromorphic computing. Here, we introduce a FGT-inspired MoS2/Trap/PZT heterostructure-based polarized tunneling transistor (PTT) with a simple fabrication process and significantly enhanced erasing/programming speed. Distinct from the FGT, the PTT lacks a tunnel layer, leading to a marked improvement in its erasing/programming speed. The PTT's highest erasing/programming (operation) speed can reach ∼20 ns, which outperforms the performance of most FGTs based on 2D heterostructures. Furthermore, the PTT has been utilized as an artificial synapse, and its weight-update energy consumption can be as low as 0.0002 femtojoule (fJ), which benefits from the PTT's ultrahigh operation speed. Additionally, PTT-based artificial synapses have been employed in constructing artificial neural network simulations, achieving facial-recognition accuracy (95%). This groundbreaking work makes it possible for fabricating future high-energy-efficient neuromorphic transistors utilizing 2D materials.
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