초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 산화갈륨 기반의 광 프로그래밍 뉴로모픽 시냅스 소자 개발을 목표로 함. 개발 소자는 자외선 빛과 전압에 반응하여 저항이 변환되며 neuron-spiking/memristor mode 동작이 가능하도록 최적화됨. 입력 광신호에 따라 변환되는 저항값은 학습 데이터 처리를 위한 물리량으로 활용됨.
이에 가시광으로 인식되는 추론 데이터를 처리하는 Si 기반 광 소자와 통합시킴. 최종적으로 뉴럴 네트워크 등가회로 구축을 위해 제작된 저항 변환 소자의 등가모델을 적용하여 Colab 상의 학습모델과 MNIST

□ 연구개요
본 연구는 산화갈륨 기반의 광 프로그래밍 뉴로모픽 시냅스 소자 개발을 목표로 함. 개발 소자는 자외선 빛과 전압에 반응하여 저항이 변환되며 neuron-spiking/memristor mode 동작이 가능하도록 최적화됨. 입력 광신호에 따라 변환되는 저항값은 학습 데이터 처리를 위한 물리량으로 활용됨.
이에 가시광으로 인식되는 추론 데이터를 처리하는 Si 기반 광 소자와 통합시킴. 최종적으로 뉴럴 네트워크 등가회로 구축을 위해 제작된 저항 변환 소자의 등가모델을 적용하여 Colab 상의 학습모델과 MNIST 데이터와 인식률 비교 평가하고 전체 시스템에서 소자의 뉴로모픽 특성 검증함.

□ 연구 목표대비 연구결과
산화 갈륨 기반의 저항 변환층과 이에 이종접합 구조가 가능한 p형 재료의 소재 및 소자 공정 기술을 확보하였음. 산화 갈륨 기반 저항 변환층은 자외선 입력과 전압 인가에 반응하여 흥분성 시냅스 후 전류 (excitatory post synaptic current, EPSC), 억제성 시냅스 후 전류 (inhibitory post synaptic current, IPSC) 장기 기억(long-term memory, LTM) 및 단기 기억 (short-term memory, STM) 특성, 스파이크-타이밍 의존 가소성 (spike-timing dependent plasticity, STDP), 쌍펄스 촉진 (paired pulse facilitation, PPF) 등 전형적인 시냅스 모방 특성을 확인함. 또한 산화 갈륨과 p형 재료와의 이종접합 구조로 구성된 최종 설계 소자는 Si 기반 광소자와 집적되어 입력된 가시광 추론 데이터를 처리하는 시스템으로의 활용 가능성을 입증함. 최종 설계 소자는 빛의 파장에 따라 흥분성 및 억제성 시냅스 거동을 보이며 게이트 전압 인가 방향에 따라서도 흥분성 및 억제성 시냅스 거동이 가능함을 확인함. 이는 최초로 장치 수준에서 전광 및 전전기 프로그래밍이 가능한 소자를 개발했다는 것에 의의가 있음. 최종적으로 산화갈륨 기반 이종접합 구조의 광 트랜지스터의 광 전기 기반 시냅스 동작을 인공 뉴로모픽 연산으로 적용 가능한지 검증을 위해 MNIST 데이터 세트의 손으로 쓴 이미지 인식 테스트 시스템 구성을 위한 컨볼루션 뉴럴 네트워크를 설계하였음. 연산 정확도 증가 및 장치에 최적화를 위해 계층 구조 설계 및 수정, 가중치 양자와 작업을 통하여 최종적으로 학습 정확도 98.46 %를 달성함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
⦁ 산업적 효과
- AI 관련 시장은 꾸준히 성장해서 2030년 글로벌 시장 규모 135조 원으로 성장(Gatner, 정보통신정책연구원). 전체 시스템 반도체 시장의 30% 이상 차지 예상.
- 기존 삼성/인텔 반도체 회사 외 구글, 테슬라 등 글로벌 기업 참여
- 정부는 제2의 디램으로 육성하고자 함.
⦁ 기술적 가치
- 본 과제를 바탕으로 암호 (X), 암호키 (W)를 통해 복호 (Y)를 처리하는 보안용 이미지 소자에 적용 가능하며, 소자의 출력을 마이크로 LED 혹은 마이크로 LD 광원에 집적하면 All-optical 신경망에 응용 가능.
- 산화 갈륨, 산화물 반도체를 이용한 항공 우주용 심 자외선 센서로 적용 가능하며, 태양전지에서 손실이 적은 기능성 window 층으로도 적용 가능.
⦁ 사회적 가치
- 본 연구를 통해 학교에서 다양한 AI 소자와 시스템응용에 경험 있는 우수한 인력을 키울 수 있음.
- 본 연구는 궁극적으로 인간의 생체 동작과 호환 가능한 저 전력, 고성능 이미지 센서를 구현함으로써 시각장애를 앓고 있는 사람들에게 의학적, 기술적 대안이 될 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1) 집적 소자 개발 및 성능 검증 ... 4
• 2) Numerical modeling & 분석 ... 14
• 3) 딥러닝 신경망 구축 및 테스트 ... 16
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 17
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 17
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 38