JP2715722B2 - 半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子 - Google Patents
半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子Info
- Publication number
- JP2715722B2 JP2715722B2 JP3211271A JP21127191A JP2715722B2 JP 2715722 B2 JP2715722 B2 JP 2715722B2 JP 3211271 A JP3211271 A JP 3211271A JP 21127191 A JP21127191 A JP 21127191A JP 2715722 B2 JP2715722 B2 JP 2715722B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- synapse circuit
- electrode
- acceptor
- synapse
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 title claims description 43
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 38
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 title claims description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 title claims description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title description 4
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 230000000779 depleting effect Effects 0.000 claims 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims 1
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 24
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 2
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000005308 sum rule Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/7606—Transistor-like structures, e.g. hot electron transistor [HET]; metal base transistor [MBT]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
- G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
- G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
- G06N3/065—Analogue means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S250/00—Radiant energy
- Y10S250/91—Food sample analysis using invisible radiant energy source
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Neurology (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computational Linguistics (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はニューラルネットワーク
を構成する半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導
体ニューロン素子、さらにこれらのニューロン素子を構
成する半導体シナプス回路とその製造方法に関する。
を構成する半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導
体ニューロン素子、さらにこれらのニューロン素子を構
成する半導体シナプス回路とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、神経回路網の概念を応用したニュ
ーラルネットワークは、パターン認識などの優れた情報
処理機能が実証されてきており、ハードウェア，ソフト
ウェアの両面で研究が活発化している。特にハードウェ
アの面では電気回路を用いるものと、光を用いるものと
がある。この中で、電気回路を用いるものでは、生物の
神経組織を模倣して、シナプスや細胞体をシリコンＭＯ
Ｓで作製するものや、超伝導体によるジョセフソン接合
を利用して作製するものなどが実際に試作されたり、提
案されたりしている。
ーラルネットワークは、パターン認識などの優れた情報
処理機能が実証されてきており、ハードウェア，ソフト
ウェアの両面で研究が活発化している。特にハードウェ
アの面では電気回路を用いるものと、光を用いるものと
がある。この中で、電気回路を用いるものでは、生物の
神経組織を模倣して、シナプスや細胞体をシリコンＭＯ
Ｓで作製するものや、超伝導体によるジョセフソン接合
を利用して作製するものなどが実際に試作されたり、提
案されたりしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来例により、確かに
ニューラルネットワークが実現され、又実現の可能性が
あると考えられるが、そのニューロン素子数はまだ少な
く、実際の幅広い応用の為には、さらに集積度を向上さ
せる必要がある。この集積化で問題となるのは素子間を
結ぶ配線数が膨大になることが最も大きな問題である
が、この他、これまでの提案ではシナプスを構成する回
路が大きくなりすぎてしまう欠点がある。これに伴っ
て、シナプス部分での遅延時間も膨大になり、実際の計
算時間に支障をきたすようになることが心配される。
ニューラルネットワークが実現され、又実現の可能性が
あると考えられるが、そのニューロン素子数はまだ少な
く、実際の幅広い応用の為には、さらに集積度を向上さ
せる必要がある。この集積化で問題となるのは素子間を
結ぶ配線数が膨大になることが最も大きな問題である
が、この他、これまでの提案ではシナプスを構成する回
路が大きくなりすぎてしまう欠点がある。これに伴っ
て、シナプス部分での遅延時間も膨大になり、実際の計
算時間に支障をきたすようになることが心配される。
【０００４】又、最近、日高により提案された特願平０
３−０２４２２４号明細書によればジョセフソン接合を
含む超伝導回路により、ニューロン素子が実現されてい
るが、この日高による発明では入力の重みづけが離散的
である為に、望まれる出力を得るにあたり、充分な入力
の重みづけの微調ができないという欠点がある。
３−０２４２２４号明細書によればジョセフソン接合を
含む超伝導回路により、ニューロン素子が実現されてい
るが、この日高による発明では入力の重みづけが離散的
である為に、望まれる出力を得るにあたり、充分な入力
の重みづけの微調ができないという欠点がある。
【０００５】本発明の目的は、この様な問題点を解決し
た、メゾスコピックなバリスティック電子を利用したシ
ナプス回路と半導体トランジスタや超伝導ジョセフソン
接合回路とを組み合わせた半導体装置、及び半導体−超
伝導体複合装置とその製造方法を提供するものである。
た、メゾスコピックなバリスティック電子を利用したシ
ナプス回路と半導体トランジスタや超伝導ジョセフソン
接合回路とを組み合わせた半導体装置、及び半導体−超
伝導体複合装置とその製造方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１の発明の半導体シナ
プス回路は、荷電キャリアガスを有する半導体に、荷電
キャリアの出射方向を限定する狭搾領域を出口として設
けた各々電気的に分離された複数の入力チャネルと、こ
の入力チャネルから出射された荷電キャリアの方向を変
え得る静電ポテンシャルを与え得る電極と、前記入力チ
ャネルの出口に対向して、限定された方向の荷電キャリ
アのみを通過させ得る単一の狭搾領域と、この単一狭搾
領域を通過した荷電キャリアを集めるアクセプタ電極と
を設けたことを特徴としている。
プス回路は、荷電キャリアガスを有する半導体に、荷電
キャリアの出射方向を限定する狭搾領域を出口として設
けた各々電気的に分離された複数の入力チャネルと、こ
の入力チャネルから出射された荷電キャリアの方向を変
え得る静電ポテンシャルを与え得る電極と、前記入力チ
ャネルの出口に対向して、限定された方向の荷電キャリ
アのみを通過させ得る単一の狭搾領域と、この単一狭搾
領域を通過した荷電キャリアを集めるアクセプタ電極と
を設けたことを特徴としている。
【０００７】第２の発明の半導体ニューロン素子は、第
１の発明の半導体シナプス回路を含み、このシナプス回
路のアクセプタ電極と接地電極間に設けた抵抗体に発生
する電位を、隣接して設けたトランジスタのゲートに、
このトランジスタの制御電圧として印加することを特徴
としている。
１の発明の半導体シナプス回路を含み、このシナプス回
路のアクセプタ電極と接地電極間に設けた抵抗体に発生
する電位を、隣接して設けたトランジスタのゲートに、
このトランジスタの制御電圧として印加することを特徴
としている。
【０００８】さらに、第３の発明の半導体−超伝導体複
合ニューロン素子は、第１の発明の半導体シナプス回路
を含み、このシナプス回路のアクセプタ電極と接地電極
間に超伝導配線によりインダクタンスを設けた半導体装
置と、前記インダクタンスに対する結合インダクタンス
に誘起する電流の多寡により、しきい値動作を行う超伝
導体装置とを具備することを特徴としている。
合ニューロン素子は、第１の発明の半導体シナプス回路
を含み、このシナプス回路のアクセプタ電極と接地電極
間に超伝導配線によりインダクタンスを設けた半導体装
置と、前記インダクタンスに対する結合インダクタンス
に誘起する電流の多寡により、しきい値動作を行う超伝
導体装置とを具備することを特徴としている。
【０００９】また、第４の発明の半導体シナプス回路の
製造方法は、第１の発明の半導体シナプス回路における
狭搾領域の作製にあたり、ショットキー金属を半導体上
に被着し、前記金属の下方に存在する荷電キャリアを空
乏化することを特徴としている。
製造方法は、第１の発明の半導体シナプス回路における
狭搾領域の作製にあたり、ショットキー金属を半導体上
に被着し、前記金属の下方に存在する荷電キャリアを空
乏化することを特徴としている。
【００１０】さらに、第５の発明の半導体シナプス回路
の製造方法は、第１の発明の半導体シナプス回路におけ
る狭搾領域の作製にあたり、イオン注入による高抵抗
化、あるいは混晶化を利用することを特徴としている。
の製造方法は、第１の発明の半導体シナプス回路におけ
る狭搾領域の作製にあたり、イオン注入による高抵抗
化、あるいは混晶化を利用することを特徴としている。
【００１１】
【作用】本発明の作用を以下に説明する。
【００１２】ニューロン素子として必要になる動作は以
下の２つに要約される。 重み付き加算（シナプス）動作 しきい値動作 即ち、他のニューロン素子からの入力を個々に重みを付
けて足し合わせ（）、その総和があるしきい値を越え
ると出力を出す（）動作である。
下の２つに要約される。 重み付き加算（シナプス）動作 しきい値動作 即ち、他のニューロン素子からの入力を個々に重みを付
けて足し合わせ（）、その総和があるしきい値を越え
ると出力を出す（）動作である。
【００１３】本発明では、で要求されるシナプス動作
を、近年研究が活発化してきているメゾスコピック領域
のバリスティック荷電キャリアの伝導を利用して実現す
る。サイバンらがフィジカル・レビュー（Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ Ｒｅｖｉｅｗ）Ｂ，第４１巻，７９３７頁，１９
９０年に報告しているように、運動方向を限定する狭搾
領域（以下ポイントコンタクトと呼ぶ）から出射したバ
リスティック荷電キャリアは、空間的に勾配を持たせた
静電ポテンシャル（例えば、基部上部に取り付けたゲー
ト電極により供給できる）により、その運動方向を変え
ることができる。彼らはエミッタとして設けた一つのポ
イントコンタクトに対向して、いくつかの電気的に分離
されたアクセプタとなるポイントコンタクトを用意し、
ゲートに印加する電圧を変えることにより、荷電キャリ
アが異なるアクセプタに振り分けられることを示した。
を、近年研究が活発化してきているメゾスコピック領域
のバリスティック荷電キャリアの伝導を利用して実現す
る。サイバンらがフィジカル・レビュー（Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ Ｒｅｖｉｅｗ）Ｂ，第４１巻，７９３７頁，１９
９０年に報告しているように、運動方向を限定する狭搾
領域（以下ポイントコンタクトと呼ぶ）から出射したバ
リスティック荷電キャリアは、空間的に勾配を持たせた
静電ポテンシャル（例えば、基部上部に取り付けたゲー
ト電極により供給できる）により、その運動方向を変え
ることができる。彼らはエミッタとして設けた一つのポ
イントコンタクトに対向して、いくつかの電気的に分離
されたアクセプタとなるポイントコンタクトを用意し、
ゲートに印加する電圧を変えることにより、荷電キャリ
アが異なるアクセプタに振り分けられることを示した。
【００１４】本発明では、ポイントコンタクトからなる
複数のエミッタから出射するバリスティック荷電キャリ
アの運動方向を、各々の出口近傍に設けた電極により制
御し、これに対向するポイントコンタクトからなる単一
のアクセプタにより、各ゲート電圧に対応した電流を個
々のエミッタから独立に集められるという新規に見いだ
した実験結果に基づいている。この結果は、エミッタか
ら出射する荷電キャリアの分布が指向性を有している
が、ある程度の幅を持っており、ゲート電圧によりアク
セプタに飛び込む荷電キャリアの量を連続的に変えるこ
とができるという事実と、異なるエミッタからアクセプ
タに飛び込む荷電キャリア相互の間に干渉がなく、総和
則が成り立つという事実が背景にある。後者の事実に関
しては、これを裏付ける実験がスペクタらにより、アプ
ライド・フィジクス・レター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．），第５８巻，２６３頁，１９９１年に報告さ
れている。彼らは２組のポイントコンタクトによるエミ
ッタとアクセプタを、エミッタから出射する荷電キャリ
アが互いに十字路型に交差するように配置し、相互に影
響されないことを確認している。以上が本発明のシナプ
ス部分に相当するが、アクセプタを通過した荷電キャリ
アはすべてオーム性電極（アクセプタ電極）に集められ
る。
複数のエミッタから出射するバリスティック荷電キャリ
アの運動方向を、各々の出口近傍に設けた電極により制
御し、これに対向するポイントコンタクトからなる単一
のアクセプタにより、各ゲート電圧に対応した電流を個
々のエミッタから独立に集められるという新規に見いだ
した実験結果に基づいている。この結果は、エミッタか
ら出射する荷電キャリアの分布が指向性を有している
が、ある程度の幅を持っており、ゲート電圧によりアク
セプタに飛び込む荷電キャリアの量を連続的に変えるこ
とができるという事実と、異なるエミッタからアクセプ
タに飛び込む荷電キャリア相互の間に干渉がなく、総和
則が成り立つという事実が背景にある。後者の事実に関
しては、これを裏付ける実験がスペクタらにより、アプ
ライド・フィジクス・レター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．），第５８巻，２６３頁，１９９１年に報告さ
れている。彼らは２組のポイントコンタクトによるエミ
ッタとアクセプタを、エミッタから出射する荷電キャリ
アが互いに十字路型に交差するように配置し、相互に影
響されないことを確認している。以上が本発明のシナプ
ス部分に相当するが、アクセプタを通過した荷電キャリ
アはすべてオーム性電極（アクセプタ電極）に集められ
る。
【００１５】次に、しきい値動作に関しては、２種類
の方法により実現している。第１の発明では従来しきい
値デバイスの代表であるトランジスタを用いている。即
ち、シナプス部分のアクセプタ電極と接地電極間に設け
た抵抗体に発生する電位を隣接して設けたトランジスタ
のゲートに制御電圧として印加している。第２の発明で
は、シナプス部分のアクセプタ電極と接地電極間に設け
た超伝導配線に対して、磁気的に結合するインダクタン
スとスイッチングエレメントとしてジョセフソン接合を
含む超伝導体しきい値素子を用いる。この超伝導体しき
い値素子としては日高により出願されている特願平０３
−０２４２２４号明細書による素子を、ここでは一つの
例として用いている。
の方法により実現している。第１の発明では従来しきい
値デバイスの代表であるトランジスタを用いている。即
ち、シナプス部分のアクセプタ電極と接地電極間に設け
た抵抗体に発生する電位を隣接して設けたトランジスタ
のゲートに制御電圧として印加している。第２の発明で
は、シナプス部分のアクセプタ電極と接地電極間に設け
た超伝導配線に対して、磁気的に結合するインダクタン
スとスイッチングエレメントとしてジョセフソン接合を
含む超伝導体しきい値素子を用いる。この超伝導体しき
い値素子としては日高により出願されている特願平０３
−０２４２２４号明細書による素子を、ここでは一つの
例として用いている。
【００１６】
【実施例】図１に示したのは図２，図４及び図５のニュ
ーロン素子に含まれるシナプス部分の詳細平面図であ
る。図２及び図４はしきい値動作素子としてトランジス
タを用いた場合のニューロン素子の回路図である。図５
はしきい値動作素子としてジョセフソン接合を含む超伝
導体を用いた場合のニューロン素子の回路図である。
又、図３は図１と同様のシナプス部分を異なる方法で作
製したものの詳細平面図である。これらの図面を参照し
て本発明の実施例を詳細に説明する。
ーロン素子に含まれるシナプス部分の詳細平面図であ
る。図２及び図４はしきい値動作素子としてトランジス
タを用いた場合のニューロン素子の回路図である。図５
はしきい値動作素子としてジョセフソン接合を含む超伝
導体を用いた場合のニューロン素子の回路図である。
又、図３は図１と同様のシナプス部分を異なる方法で作
製したものの詳細平面図である。これらの図面を参照し
て本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１７】図１及び図３の半導体シナプス回路につい
て説明する。本発明の半導体シナプス回路を作り込む基
板としては、荷電キャリアのバリスティック性を利用す
る為、高移動度ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ基板を用いてい
る。荷電キャリアの存在する領域を限定する為のメサエ
ッチング２を図に示した様に行った後、図１ではエミッ
タ及びアクセプタを作製するにあたり、第４の発明の製
造方法を用いて、ショットキー電極１を基板上部に被着
し、下方の荷電キャリアを空乏化することにより実現し
ている。また図３ではエミッタ及びアクセプタを作製す
るにあたり、第５の発明の製造方法であるイオン注入に
よる高抵抗化、あるいは混晶化を２に示した領域に行う
ことにより実現している。より簡便には集束イオンビー
ムを用いてもよい。１１〜１４は、他のニューロン素子
からの入力の為のエミッタ電極で、この例では簡単の
為、４入力に限定している。エミッタの前方にある２１
〜２４で示した狭搾領域は、エミッタから流れ出た荷電
キャリアの方向を限定する為のポイントコンタクトであ
る。さらに３１〜３４は、エミッタ領域から飛び出した
荷電キャリアの方向を変える静電ポテンシャルを供給す
る為のゲート電極である。４１はこの領域に集まる荷電
キャリアの中の一定の範囲にあるものだけを通過させる
ポイントコンタクトで、このポイントコンタクトを通過
した荷電キャリアはアクセプタ電極４０に集められる。
電極１５，１６はポイントコンタクト４１を通過できな
かった荷電キャリアを吸収する為のドレイン電極であ
る。このシナプスの機能を充分に発揮させる為には、エ
ミッタ側のポイントコンタクトからアクセプタ側のポイ
ントコンタクトまでの距離を荷電キャリアの平均自由行
程以内になるように微細加工を行い、荷電キャリアがバ
リスティックに走行させることが必要となる。この実施
例で用いた基板の荷電キャリアの平均自由行程は約１０
μｍあり、図１及び図３に示した設計ではポイントコン
タクト間の距離を５μｍにしてあるので、充分にバリス
ティック性は保証されている。又、各オーミック電極，
各ゲート電極への配線は、これらの図面では示されてい
ない第２層配線によって行っている。
て説明する。本発明の半導体シナプス回路を作り込む基
板としては、荷電キャリアのバリスティック性を利用す
る為、高移動度ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ基板を用いてい
る。荷電キャリアの存在する領域を限定する為のメサエ
ッチング２を図に示した様に行った後、図１ではエミッ
タ及びアクセプタを作製するにあたり、第４の発明の製
造方法を用いて、ショットキー電極１を基板上部に被着
し、下方の荷電キャリアを空乏化することにより実現し
ている。また図３ではエミッタ及びアクセプタを作製す
るにあたり、第５の発明の製造方法であるイオン注入に
よる高抵抗化、あるいは混晶化を２に示した領域に行う
ことにより実現している。より簡便には集束イオンビー
ムを用いてもよい。１１〜１４は、他のニューロン素子
からの入力の為のエミッタ電極で、この例では簡単の
為、４入力に限定している。エミッタの前方にある２１
〜２４で示した狭搾領域は、エミッタから流れ出た荷電
キャリアの方向を限定する為のポイントコンタクトであ
る。さらに３１〜３４は、エミッタ領域から飛び出した
荷電キャリアの方向を変える静電ポテンシャルを供給す
る為のゲート電極である。４１はこの領域に集まる荷電
キャリアの中の一定の範囲にあるものだけを通過させる
ポイントコンタクトで、このポイントコンタクトを通過
した荷電キャリアはアクセプタ電極４０に集められる。
電極１５，１６はポイントコンタクト４１を通過できな
かった荷電キャリアを吸収する為のドレイン電極であ
る。このシナプスの機能を充分に発揮させる為には、エ
ミッタ側のポイントコンタクトからアクセプタ側のポイ
ントコンタクトまでの距離を荷電キャリアの平均自由行
程以内になるように微細加工を行い、荷電キャリアがバ
リスティックに走行させることが必要となる。この実施
例で用いた基板の荷電キャリアの平均自由行程は約１０
μｍあり、図１及び図３に示した設計ではポイントコン
タクト間の距離を５μｍにしてあるので、充分にバリス
ティック性は保証されている。又、各オーミック電極，
各ゲート電極への配線は、これらの図面では示されてい
ない第２層配線によって行っている。
【００１８】図２は図１及び図３に示したシナプスと、
しきい値動作素子としてトランジスタ６０を用いて構成
した第２の発明による半導体ニューロン素子である。１
１〜１４は、図１及び図３で示したシナプス回路の入力
のエミッタ領域のオーミック電極であり、４０はアクセ
プタ電極である。アクセプタ電極は抵抗５１を通してア
ースされており、抵抗５１の間に発生する電位がトラン
ジスタ６０のゲートににされるようになっている。トラ
ンジスタ６０の主電流は抵抗５２を介して電源より供給
されており、シナプスのアクセプタ電極に流れ込む電流
の多寡により、この主電流が制御できるようにトランジ
スタ６０のしきい値、及び抵抗５１の抵抗値を選んでい
る。出力からは適切な負荷により、分流して次段のシナ
プスへ接続される。ここで示した回路はシナプスと半導
体しきい値回路との接続を最も簡素にする為に、直接結
合型の回路を示したが、ニューロン素子に必要となる大
きなファンアウト数を得る為に、図４に示したようなバ
ッファードＦＥＴ論理回路を用いても良い。６１〜６４
は回路を構成するトランジスタ、６５はダイオードを示
している。又、これらの回路の他に、ソース結合型ＦＥ
Ｔ論理回路等、砒化ガリウムやヘテロ接合ＦＥＴ用の基
本論理回路を用いても良いことは当然である。
しきい値動作素子としてトランジスタ６０を用いて構成
した第２の発明による半導体ニューロン素子である。１
１〜１４は、図１及び図３で示したシナプス回路の入力
のエミッタ領域のオーミック電極であり、４０はアクセ
プタ電極である。アクセプタ電極は抵抗５１を通してア
ースされており、抵抗５１の間に発生する電位がトラン
ジスタ６０のゲートににされるようになっている。トラ
ンジスタ６０の主電流は抵抗５２を介して電源より供給
されており、シナプスのアクセプタ電極に流れ込む電流
の多寡により、この主電流が制御できるようにトランジ
スタ６０のしきい値、及び抵抗５１の抵抗値を選んでい
る。出力からは適切な負荷により、分流して次段のシナ
プスへ接続される。ここで示した回路はシナプスと半導
体しきい値回路との接続を最も簡素にする為に、直接結
合型の回路を示したが、ニューロン素子に必要となる大
きなファンアウト数を得る為に、図４に示したようなバ
ッファードＦＥＴ論理回路を用いても良い。６１〜６４
は回路を構成するトランジスタ、６５はダイオードを示
している。又、これらの回路の他に、ソース結合型ＦＥ
Ｔ論理回路等、砒化ガリウムやヘテロ接合ＦＥＴ用の基
本論理回路を用いても良いことは当然である。
【００１９】図５は図１及び図３に示した半導体シナプ
ス回路と、しきい値動作素子として特願平０３−０２４
２２４号明細書によるジョセフソン接合７４，７３を含
む超伝導回路とを用いて構成した第２の発明によるニュ
ーロン素子である。１１〜１４は図１及び図３で示した
入力のエミッタ領域のオーミック電極であり、４０はア
クセプタ電極である。アクセプタ電極は７１の超伝導配
線を通してアースされており、この間のインダクタンス
によって超伝導閉回路７２と磁気的に結合している。こ
の超伝導閉回路には、バイアス電流入力端７５より、バ
イアス電流がジョセフソン接合７３を通して流れている
が、この他に超伝導配線７１に流れる電流と相互インダ
クタンスＭに応じて循環電流が超伝導閉回路７２に流れ
る。このバイアス電流と循環電流の総和がジョセフソン
接合７３のしきい値電流を越えると、この接合は電圧状
態にスイッチし、これらの電流はジョセフソン接合７４
を通過するようになるが、ジョセフソン接合７４の電流
しきい値をジョセフソン接合７３よりも小さくしてある
と、ジョセフソン接合７３も電圧状態にスイッチし、結
局、出力端７６へ電流が送り出されるようになる。
ス回路と、しきい値動作素子として特願平０３−０２４
２２４号明細書によるジョセフソン接合７４，７３を含
む超伝導回路とを用いて構成した第２の発明によるニュ
ーロン素子である。１１〜１４は図１及び図３で示した
入力のエミッタ領域のオーミック電極であり、４０はア
クセプタ電極である。アクセプタ電極は７１の超伝導配
線を通してアースされており、この間のインダクタンス
によって超伝導閉回路７２と磁気的に結合している。こ
の超伝導閉回路には、バイアス電流入力端７５より、バ
イアス電流がジョセフソン接合７３を通して流れている
が、この他に超伝導配線７１に流れる電流と相互インダ
クタンスＭに応じて循環電流が超伝導閉回路７２に流れ
る。このバイアス電流と循環電流の総和がジョセフソン
接合７３のしきい値電流を越えると、この接合は電圧状
態にスイッチし、これらの電流はジョセフソン接合７４
を通過するようになるが、ジョセフソン接合７４の電流
しきい値をジョセフソン接合７３よりも小さくしてある
と、ジョセフソン接合７３も電圧状態にスイッチし、結
局、出力端７６へ電流が送り出されるようになる。
【００２０】
【発明の効果】本発明を用いれば、従来提案されている
回路と比べ大幅に素子面積を削減したシナプス回路を実
現することができる。これにより、さらなる集積度の向
上や配線遅延の減少が可能となる。
回路と比べ大幅に素子面積を削減したシナプス回路を実
現することができる。これにより、さらなる集積度の向
上や配線遅延の減少が可能となる。
【００２１】特に、本発明の素子は低温動作を基本とし
ており、配線に超伝導体を用いることは容易であり、膨
大になる配線部分での発熱を抑えることが可能となる。
ており、配線に超伝導体を用いることは容易であり、膨
大になる配線部分での発熱を抑えることが可能となる。
【００２２】又、最近発明された超伝導ニューロン素子
と比べ、各入力に対して連続的に重みづけが可能である
為、期待される出力が正確に得られるように微調するこ
とができ、実際のパターン認識等に応用した場合の認識
率をはるかに向上させることができる。
と比べ、各入力に対して連続的に重みづけが可能である
為、期待される出力が正確に得られるように微調するこ
とができ、実際のパターン認識等に応用した場合の認識
率をはるかに向上させることができる。
【図１】第１の発明の半導体シナプス回路を第４の発明
の製造方法により、作製した素子の一実施例の上面図で
ある。
の製造方法により、作製した素子の一実施例の上面図で
ある。
【図２】第２の発明の半導体ニューロン素子の実施例の
回路図である。
回路図である。
【図３】第１の発明の半導体シナプス回路を第５の発明
の製造方法で作製した素子の一実施例を示した上面図で
ある。
の製造方法で作製した素子の一実施例を示した上面図で
ある。
【図４】第２の発明の半導体ニューロン素子の実施例の
回路図である。
回路図である。
【図５】第３の発明の半導体−超伝導体複合ニューロン
素子の一実施例の回路図である。
素子の一実施例の回路図である。
１ ショットキー電極 ２ メサエッチング １１〜１４ 入力エミッタ電極 １５，１６ ドレイン電極 ２１〜２４ エミッタ側狭搾領域（ポイントコンタク
ト） ３１〜３４ ゲート電極 ４０ アクセプタ電極 ４１ アクセプタ側狭搾領域（ポイントコンタクト） ５１，５２ 抵抗体 ６０〜６４ トランジスタ ６５ ダイオード ７１ インダクタンスを含む超伝導配線 ７２ 相互インダクタンスＭで７１と結合する超伝導閉
回路 ７３，７４ ジョセフソン接合 ７５ バイアス電流入力端 ７６ 出力端
ト） ３１〜３４ ゲート電極 ４０ アクセプタ電極 ４１ アクセプタ側狭搾領域（ポイントコンタクト） ５１，５２ 抵抗体 ６０〜６４ トランジスタ ６５ ダイオード ７１ インダクタンスを含む超伝導配線 ７２ 相互インダクタンスＭで７１と結合する超伝導閉
回路 ７３，７４ ジョセフソン接合 ７５ バイアス電流入力端 ７６ 出力端
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 39/22 ＺＡＡ Ｈ０３Ｋ 19/195 ＺＡＡ Ｈ０３Ｋ 19/195 ＺＡＡ 9447−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 29/80 Ａ
Claims (5)
- 【請求項１】荷電キャリアガスを有する半導体に、荷電
キャリアの出射方向を限定する狭搾領域を出口として設
けた各々電気的に分離された複数の入力チャネルと、こ
の入力チャネルから出射された荷電キャリアの方向を変
え得る静電ポテンシャルを与え得る電極と、前記入力チ
ャネルの出口に対向して、限定された方向の荷電キャリ
アのみを通過させ得る単一の狭搾領域と、この単一狭搾
領域を通過した荷電キャリアを集めるアクセプタ電極と
を設けたことを特徴とする半導体シナプス回路。 - 【請求項２】請求項１記載の半導体シナプス回路を含
み、このシナプス回路のアクセプタ電極と接地電極間に
設けた抵抗体に発生する電位を、隣接して設けたトラン
ジスタのゲートに、このトランジスタの制御電圧として
印加することを特徴とする半導体ニューロン素子。 - 【請求項３】請求項１記載の半導体シナプス回路を含
み、このシナプス回路のアクセプタ電極と接地電極間に
超伝導配線によりインダクタンスを設けた半導体装置
と、前記インダクタンスに対する結合インダクタンスに
誘起する電流の多寡により、しきい値動作を行う超伝導
体装置とを具備することを特徴とする半導体−超伝導体
複合ニューロン素子。 - 【請求項４】請求項１記載の半導体シナプス回路におけ
る狭搾領域の作製にあたり、ショットキー金属を半導体
上に被着し、前記金属の下方に存在する荷電キャリアを
空乏化することを特徴とする半導体シナプス回路の製造
方法。 - 【請求項５】請求項１記載の半導体シナプス回路におけ
る狭搾領域の作製にあたり、イオン注入による高抵抗
化、あるいは混晶化を利用することを特徴とする半導体
シナプス回路の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3211271A JP2715722B2 (ja) | 1991-08-23 | 1991-08-23 | 半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子 |
| US07/933,118 US5343081A (en) | 1991-08-23 | 1992-08-21 | Synapse circuit which utilizes ballistic electron beams in two-dimensional electron gas |
| EP92114407A EP0529565B1 (en) | 1991-08-23 | 1992-08-24 | Semiconductor synapse circuit and neuron device using the same |
| DE69223195T DE69223195T2 (de) | 1991-08-23 | 1992-08-24 | Halbleiter-Synapse-Schaltung und Anwendung in einem Neuronelement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3211271A JP2715722B2 (ja) | 1991-08-23 | 1991-08-23 | 半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0555544A JPH0555544A (ja) | 1993-03-05 |
| JP2715722B2 true JP2715722B2 (ja) | 1998-02-18 |
Family
ID=16603158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3211271A Expired - Fee Related JP2715722B2 (ja) | 1991-08-23 | 1991-08-23 | 半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5343081A (ja) |
| EP (1) | EP0529565B1 (ja) |
| JP (1) | JP2715722B2 (ja) |
| DE (1) | DE69223195T2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5902103A (en) * | 1995-12-29 | 1999-05-11 | Kokusai Electric Co., Ltd. | Vertical furnace of a semiconductor manufacturing apparatus and a boat cover thereof |
| US20030236759A1 (en) * | 2002-06-21 | 2003-12-25 | Tsung-Hsuan Ho | Neural network for determining the endpoint in a process |
| US8571614B1 (en) | 2009-10-12 | 2013-10-29 | Hypres, Inc. | Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits |
| US8558287B2 (en) | 2011-05-13 | 2013-10-15 | Nokia Corporation | Apparatus and method for introducing a controllable delay to an input signal |
| KR101425857B1 (ko) * | 2012-09-06 | 2014-07-31 | 서울대학교산학협력단 | 시냅스 모방 반도체 소자 및 그 동작방법 |
| US10222416B1 (en) | 2015-04-14 | 2019-03-05 | Hypres, Inc. | System and method for array diagnostics in superconducting integrated circuit |
| TR201809195A2 (tr) * | 2018-06-28 | 2018-07-23 | Tobb Ekonomi Ve Teknoloji Ueniversitesi | Bi̇r nöron devresi̇ |
| DE102020207439A1 (de) | 2020-06-16 | 2021-12-16 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Neuronen und Synapsen mit ferroelektrisch modulierten Metall-Halbleiter Schottky Dioden nebst Verfahren |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4059784A (en) * | 1976-06-14 | 1977-11-22 | Perevodchikov Vladimir Innoken | Electron-beam converter |
| US4594630A (en) * | 1980-06-02 | 1986-06-10 | Electric Power Research Institute, Inc. | Emission controlled current limiter for use in electric power transmission and distribution |
| JP2595051B2 (ja) * | 1988-07-01 | 1997-03-26 | 株式会社日立製作所 | 半導体集積回路 |
| US4994709A (en) * | 1989-03-22 | 1991-02-19 | Varian Associates, Inc. | Method for making a cathader with integral shadow grid |
| NL9000698A (nl) * | 1990-03-24 | 1991-10-16 | Koninkl Philips Electronics Nv | Element voor toepassing in een elektrische schakeling. |
| US5163328A (en) * | 1990-08-06 | 1992-11-17 | Colin Electronics Co., Ltd. | Miniature pressure sensor and pressure sensor arrays |
| US5204588A (en) * | 1991-01-14 | 1993-04-20 | Sony Corporation | Quantum phase interference transistor |
| JP2694778B2 (ja) * | 1991-02-19 | 1997-12-24 | 日本電気株式会社 | 超伝導ニューロン素子 |
-
1991
- 1991-08-23 JP JP3211271A patent/JP2715722B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-08-21 US US07/933,118 patent/US5343081A/en not_active Expired - Fee Related
- 1992-08-24 EP EP92114407A patent/EP0529565B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-08-24 DE DE69223195T patent/DE69223195T2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0555544A (ja) | 1993-03-05 |
| EP0529565A1 (en) | 1993-03-03 |
| EP0529565B1 (en) | 1997-11-19 |
| US5343081A (en) | 1994-08-30 |
| DE69223195D1 (de) | 1998-01-02 |
| DE69223195T2 (de) | 1998-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5783840A (en) | Universal quantum dot logic cell | |
| US4821090A (en) | Compound semiconductor integrated circuit device | |
| US7576353B2 (en) | Ballistic deflection transistor and logic circuits based on same | |
| US5234848A (en) | Method for fabricating lateral resonant tunneling transistor with heterojunction barriers | |
| JP2715722B2 (ja) | 半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子 | |
| EP0626730B1 (en) | Nanofabricated semiconductor device | |
| JPH0714845A (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族材料系のハイブリッドバイポーラ・電界効果電力トランジスタ | |
| US5323030A (en) | Field effect real space transistor | |
| JPH07120782B2 (ja) | 半導体装置 | |
| Randall | A lateral-resonant-tunneling universal quantum-dot cell | |
| US5283445A (en) | Quantum semiconductor device employing quantum boxes for enabling compact size and high-speed operation | |
| US5346851A (en) | Method of fabricating Shannon Cell circuits | |
| JPH07161965A (ja) | 半導体装置及び多値論理回路 | |
| JP3222166B2 (ja) | プログラム可能抵抗素子 | |
| Fujiwara et al. | Silicon double-island single-electron device | |
| JPH0760890B2 (ja) | 高速半導体装置 | |
| Abramov et al. | Classification of single-electron devices | |
| JPH05291591A (ja) | 負性抵抗素子及びその製造方法並びに半導体装置 | |
| JP3281936B2 (ja) | 論理回路 | |
| JPH02139973A (ja) | スイッチング素子 | |
| JP2850747B2 (ja) | 結合量子ドット素子 | |
| JP2655424B2 (ja) | 高速半導体装置 | |
| JPS63250879A (ja) | 超伝導素子 | |
| Quantum | KAZUHITO TSUKAGOSHI, KENICHI OTO, SADAO TAKAOKA, KAZUO MURASE¹, YUKIHIKO TAKAGAKI*, KENJI GAMO, AND SUSUMU NAMBA² | |
| US5811831A (en) | Semiconductor device exploiting a quantum interference effect |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |