A Tripartite Synapse-Inspired Ferroelectric-Gated Phototransistors for In-Sensor Image Processing

Abstract

삼자 시냅스 (tripartite synapse) 시스템에서 영감을 받은 뉴로모픽 소자는 제3의 단자를 통해 시냅스 가중치를 효과적으로 조절할 수 있는 특성을 지닌다. 그러나 전기적으로 독립된 단자를 활용하여 광학적 정보를 동시에 저장하고 처리하는 방법은 아직 충분히 탐구되지 않았다. 본 연구에서는 강유전성 고분자와 유기 광활성 채널을 통합한 강유전 게이트 광트랜지스터 (Ferroelectric-Gated Phototransistor, FGPT) 를 뉴로모픽 비전 시스템을 위한 소자로 재조명하였다. 강유전 게이트 절연체 내에서의 부분 분극 전환은 광활성 채널의 선형 제어를 가능하게 하며, 강유전 절연체와 광활성 채널 계면에서의 전하 트래핑에 의해 유도되는 광게이팅 효과는 소자의 광 비휘발성 특성을 더욱 강화시킨다. 이로 인해 저장된 시각 정보는 광전도도 형태로 점진적으로 강화 (potentiation) 또는 약화 (depression) 할 수 있으며, 조절된 광전도도는 장치의 동적 범위 (153 dB) 내에서 전체 전류 수준을 완전히 포괄한다. 마지막으로, 본 연구는 FGPT를 활용하여 구조화되지 않은 환경에서 획득된 시각 정보를 센서 내에서 전처리함으로써 학습된 범위로 재보정하고, 이로 인해 비정형 환경에서도 얼굴 인식 정확도가 최대 약 40 % 향상될 수 있음을 입증하였다.|Neuromorphic devices that emulate the tripartite synapse architecture utilize a third, electrically independent terminal to modulate synaptic weight; however, a strategy that allows this terminal to simultaneously memorize and process optical information has yet to be realized. Here, we revisit the ferroelectric-gated phototransistor (FGPT)—which incorporates ferroelectric polymers and organic photoactive channels—for neuromorphic vision systems. We demonstrate that partial polarization switching within the ferroelectric gate insulator provides linear control of the photoactive channel, while a photogating effect induced by charge trapping at the ferroelectric insulator/photoactive-channel interface further strengthens the photonic non-volatile characteristics of the device. Consequently, visual information stored as photoconductance can be incrementally potentiated or depressed, and the tuned photoconductance spans the entire current level of the device, covering 153 dB of dynamic range. Finally, through in-sensor processing, we demonstrate the possibility of all-day face recognition by converting visual information obtained in unstructured environments into a pre-trained range, resulting in up to approximately 40 % higher recognition accuracy.