JP5696988B2 - Synapse operating element - Google Patents
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Description
本発明は、電極間の伝導度の時間変化が入力信号の強度や入力頻度に依存するシナプス動作をする２端子素子に関するものである。 The present invention relates to a two-terminal element that performs a synaptic operation in which the temporal change in conductivity between electrodes depends on the intensity and input frequency of an input signal.
脳型回路などの応用を指向したシナプス動作をする素子としては、従来、イオン拡散材料中におけるイオン注入領域を制御することで電極間の伝導度を連続的に変化することが可能な素子「メムリスター」が知られている（非特許文献１）。イオン拡散材料とは、材料を構成する、ないし、不純物として注入された金属イオンや酸素イオンなどが電界によって材料中を拡散することが可能な材料である。イオン拡散材料では、イオン濃度に依存して材料の電気伝導度が変化することが知られている。イオン拡散材料の特徴を利用した「メムリスター」は例えば、酸化チタンを金属電極で挟んだ２端子構造によって実現することができる（非特許文献２）。この例では、酸化チタンがイオン拡散材料であり、酸化チタン中の酸素イオンが拡散する。酸化チタン内部には酸素イオンが欠損した酸素空孔が存在し、酸素空孔濃度が上昇するほど電気伝導度が高くなることが広く知られている。この酸化チタンを用いた「メムリスター」では、一方の電極に正の電圧を印加し、もう一方の電極を接地すると、正に帯電した酸素空孔は接地した電極側に向かって拡散する。この結果、接地した電極側で酸素空孔の濃度が上昇する。すなわち、伝導度の高い領域が形成される。この酸素空孔濃度（電気伝導度）の高い領域は、酸素空孔拡散に必要な電圧を電極に印加する限り変化する。電圧の印加を止めると、その領域は保持される。 As a device that performs synaptic operations aimed at applications such as brain-type circuits, the “Memristor” device that can continuously change the conductivity between electrodes by controlling the ion implantation region in the ion diffusion material has been conventionally used. Is known (Non-patent Document 1). An ion diffusing material is a material that constitutes a material or that allows metal ions, oxygen ions, and the like implanted as impurities to diffuse in the material by an electric field. It is known that in the ion diffusion material, the electrical conductivity of the material changes depending on the ion concentration. A “memristor” using the characteristics of an ion diffusing material can be realized, for example, by a two-terminal structure in which titanium oxide is sandwiched between metal electrodes (Non-patent Document 2). In this example, titanium oxide is an ion diffusion material, and oxygen ions in titanium oxide diffuse. It is widely known that oxygen vacancies lacking oxygen ions exist inside titanium oxide, and the electrical conductivity increases as the oxygen vacancy concentration increases. In the “Mem Lister” using titanium oxide, when a positive voltage is applied to one electrode and the other electrode is grounded, the positively charged oxygen vacancies diffuse toward the grounded electrode side. As a result, the concentration of oxygen vacancies increases on the grounded electrode side. That is, a region with high conductivity is formed. This region having a high oxygen vacancy concentration (electrical conductivity) changes as long as a voltage necessary for oxygen vacancy diffusion is applied to the electrode. When the voltage application is stopped, the region is retained.
また、逆極性の電圧を印加することで、酸素空孔を逆向きに拡散させることで高伝導度領域を減少させる（電極間の伝導度を下げる）ことも可能である。このような特徴から、「メムリスター」は過去の入力信号の情報を記憶可能な不揮発性素子として、その応用が期待されている。 Further, by applying a reverse polarity voltage, it is possible to reduce the high conductivity region (lower the conductivity between the electrodes) by diffusing oxygen vacancies in the opposite direction. Due to these characteristics, “Memlister” is expected to be applied as a nonvolatile element capable of storing information of past input signals.
このような特徴を有する素子は「メムリスティブ接合部」と呼ばれることもある（特許文献１）。メムリスティブ接合部のコンダクタンス（伝導度）は、現在印加されている電圧と、且つ先行する時間間隔にわたって印加される電圧の履歴とに依存する。電圧印加によってコンダクタンスを変化させることで、メムリスティブ接合部にシナプス動作をさせる方法が開示されている。なお、「メムリスター」ないし「メムリスティブ接合部」では、電圧を印加しない限り、コンダクタンス（伝導度）は変化しない。このため、シナプス動作の特徴である結合強度（伝導度）の時間変化を実現するためには、精密にプログラムされた電圧を印加する必要があった。 An element having such characteristics is sometimes called a “memristive junction” (Patent Document 1). The conductance of the memristive junction depends on the voltage currently applied and the history of the voltage applied over the preceding time interval. A method of causing a memristive junction to perform a synaptic operation by changing conductance by applying a voltage is disclosed. Note that the conductance (conductivity) does not change in the “memlister” or “memristive junction” unless a voltage is applied. For this reason, in order to realize the temporal change in the coupling strength (conductivity), which is a feature of the synaptic operation, it is necessary to apply a precisely programmed voltage.
一方、シナプス動作の特徴である結合強度（伝導度）の時間変化を電圧の印加無しで再現する素子としては、例えば、伝導度が時間減衰を示すダイオード（特許文献２）が知られている。この例では、一定以上の高い電圧を印加した際に高い伝導度が一時的に得られること、さらには、その高い伝導度が電圧印加を止めたあとも一分程度保持されることが示されている。また、電圧印加後に伝導度が減少する方法としては、抵抗（Ｒ）とコンデンサー（Ｃ）を組み合わせたＣＲ回路が知られている。ＣＲ回路では電圧印加に伴う電荷蓄積の際に一時的に伝導度の高い状態が実現され、蓄積電荷の放出によって伝導度が減衰する。その時定数が（１／ＣＲ）となることが知られている。なお、これらの素子ないし回路では、伝導度の減衰が必ず起こるという特徴がある。 On the other hand, as an element that reproduces a temporal change in coupling strength (conductivity), which is a characteristic of synaptic operation, without applying a voltage, for example, a diode (Patent Document 2) whose conductivity exhibits time decay is known. This example shows that high conductivity is temporarily obtained when a high voltage above a certain level is applied, and that the high conductivity is maintained for about one minute after the voltage application is stopped. ing. Further, as a method for reducing the conductivity after voltage application, a CR circuit combining a resistor (R) and a capacitor (C) is known. In the CR circuit, a state of high conductivity is temporarily realized at the time of charge accumulation accompanying voltage application, and the conductivity is attenuated by discharge of accumulated charge. It is known that the time constant is (1 / CR). Note that these elements or circuits have a feature that conductivity attenuation always occurs.
上記「メムリスター」では、電圧の印加によって電極間の伝導度を変化させていた。すなわち、伝導度の変化は電圧を印加しているときのみ起こる。 In the above “Memristor”, the conductivity between the electrodes is changed by applying a voltage. That is, the change in conductivity occurs only when a voltage is applied.
一方、人間の脳ではニューロンなどからの入力信号の大きさや入力頻度に依存してシナプスの結合強度が時間変化する。たとえば、入力信号の強度とその入力回数が同じであっても、入力の頻度が高ければ長時間持続する高いシナプス結合強度が得られ、入力の頻度が低ければ入力の度に一時的に結合強度が増すものの、直ちに結合強度の減衰が起こり、その結合強度は持続しない。脳科学では、信号入力が終わったあとでも高い結合強度が持続される状態を長期増強モードと呼び、信号入力によって一時的にのみ結合強度が増す（信号入力後に結合強度が減衰する）状態を短期可塑性モードと呼ぶ。 On the other hand, in the human brain, the synaptic connection strength changes with time depending on the magnitude and input frequency of an input signal from a neuron or the like. For example, even if the input signal strength and the number of inputs are the same, a high synaptic connection strength that lasts for a long time can be obtained if the input frequency is high, and a temporary connection strength for each input if the input frequency is low. However, the bond strength decays immediately and the bond strength does not persist. In brain science, a state in which a high bond strength is sustained even after the signal input is completed is called a long-term enhancement mode, and a state in which the bond strength increases only temporarily due to the signal input (the bond strength attenuates after the signal input) is short-term. Called the plastic mode.
この特徴によって、人間の脳は情報の入力頻度が高いほど、より少ない入力回数で確実に記憶をする。一方、入力頻度が低ければ曖昧な記憶しか形成されず、入力された情報をいずれ忘却する。この脳の特徴を模倣した脳型回路を実現するためには、信号の入力頻度に依存して長期増強モードと短期可塑性モードを示すシナプス動作素子が不可欠である。すなわち、電圧印加（信号入力）によって電極間の伝導度（シナプスの結合強度）が変化することはもちろん、伝導度が一定の値（閾値）以下の場合には、電圧印加後の電圧印加が無い状態でも伝導度が減衰する短期可塑性モードを再現する必要がある。一方、伝導度が閾値以上に到達した場合には、電圧印加が無い状態では伝導度が保持される長期増強モードが再現される必要がある。繰り返せば、入力頻度が低ければ、信号入力が終わると同時に電気伝導度の減少が起こり、最終的には初期の電気伝導度に戻り、入力頻度が高ければ、閾値以上の高い電気伝導度が実現され、その閾値以上の高い電気伝導度が長期間保持される、といった特徴を有するシナプス動作をする素子が不可欠である。 With this feature, the higher the input frequency of information, the more reliable the human brain stores the number of inputs. On the other hand, if the input frequency is low, only an ambiguous memory is formed, and the input information is forgotten. In order to realize a brain-type circuit that mimics the characteristics of the brain, a synapse operation element that exhibits a long-term enhancement mode and a short-term plasticity mode depending on the frequency of signal input is indispensable. That is, the conductivity between electrodes (synaptic coupling strength) changes with voltage application (signal input), and when the conductivity is below a certain value (threshold), there is no voltage application after voltage application. It is necessary to reproduce the short-term plastic mode in which the conductivity decreases even in the state. On the other hand, when the conductivity reaches a threshold value or more, it is necessary to reproduce a long-term enhancement mode in which the conductivity is maintained in a state where no voltage is applied. If it repeats, if the input frequency is low, the signal conductivity ends and the electrical conductivity decreases at the same time. Finally, it returns to the initial electrical conductivity, and if the input frequency is high, a high electrical conductivity above the threshold is realized. In addition, an element that performs a synaptic operation having a feature that a high electric conductivity equal to or higher than the threshold value is maintained for a long period is indispensable.
本発明は、入力信号の強度と信号入力の頻度に依存して、伝導度が閾値以下の場合には短期可塑性モードに対応する動作を、伝導度が閾値以上の場合には長期増強モードに対応する動作の両方を再現するシナプス動作素子を供給し、人間の脳の特徴を模倣した脳型回路の構築を可能とすることを目的とする。 Depending on the intensity of the input signal and the frequency of signal input, the present invention supports the operation corresponding to the short-term plastic mode when the conductivity is below the threshold, and corresponds to the long-term enhancement mode when the conductivity is above the threshold. It is an object of the present invention to provide a synapse operation element that reproduces both of the actions to be performed and to construct a brain-type circuit that imitates the characteristics of the human brain.
本発明は、上記目的を達成するために、
（１）イオン拡散材料からなる電極と金属電極とを間隙を持って配置し、信号入力によって前記電極間の伝導度を変化させる。この伝導度変化は、前記イオン拡散材料中の金属イオンが入力信号によって還元されて金属原子となり、イオン拡散材料の表面に析出することで起こる。電極間の伝導度はおもに間隙のサイズで決まる。このため、析出した金属原子によって前記間隙のサイズが小さくなることで伝導度が増加するのである。この際、前記電極間の伝導度が本発明によって見いだされた閾値よりも小さい場合には前記電極間への電圧印加が無い状態でも伝導度の減衰が起こり、前記電極間の伝導度が前記閾値よりも大きい場合には電圧印加が無い状態では伝導度の変化が起こらないことを特徴とする。
（２）前記閾値よりも小さい伝導度は、イオン拡散材料からなる電極と金属電極との間隙、ないし、イオン拡散材料からなる電極表面に形成される金属突起と金属電極との間隙によって得られ、前記閾値よりも高い伝導度は、前記イオン拡散材料からなる電極と金属電極との間隙に前記金属突起が成長してできた金属架橋によって得られることを特徴とする。
（３）前記閾値は、電極との接合点が原子一個ないし二個で形成された金属架橋の伝導度であることを特徴とする。なお、原子一個で接合点が形成された金属架橋の伝導度は、理想的には７７．５μＳ（マイクロジーメンス）であるが、実際には、架橋を形成する原子の配列や架橋を形成する原子の種類（元素）にも依存するので、前記閾値は５０〜２００μＳの間で変化する。Ｓ（ジーメンス）は伝導度の単位で、１Ｓ＝１／Ωとなる。
（４）前記閾値よりも小さい伝導度が減衰する際の時間依存性が信号入力の頻度および強度に依存していることを特徴とする。
（５）前記伝導度が閾値を超えて伝導度が保持される状態への移行に要する入力信号の数が、入力信号の強度および頻度に依存していることを特徴とする。
（６）前記イオン拡散材料が、イオンに加えて電子も拡散可能な材料である電子・イオン混合伝導体であることを特徴とする。
（７）前記電子・イオン混合伝導体が硫化銀や硫化銅などの硫化物、セレン化銀やセレン化銅などのセレン化合物、ヨウ化銀やヨウ化銅、ヨウ化ルビジウム銀などのヨウ化物、あるいはこれらの複合化合物のうちの一種または２種以上で構成されることを特徴とする。
（８）前記イオン拡散材料が高分子固体電解質であることを特徴とする。
（９）前記高分子固体電解質が、ポリエチレンオキシド、ポリメトキシエトキシエトキシドホスファゼン、メチルシロキサン−エチレンオキシド共重合体、ポリメタクリル酸オリゴエチレンオキシド、のうちの一種または二種以上の混合物で構成されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
(1) An electrode made of an ion diffusing material and a metal electrode are arranged with a gap, and the conductivity between the electrodes is changed by signal input. This change in conductivity occurs when metal ions in the ion diffusion material are reduced by an input signal to become metal atoms and precipitate on the surface of the ion diffusion material. The conductivity between the electrodes is mainly determined by the size of the gap. For this reason, the conductivity increases because the size of the gap is reduced by the deposited metal atoms. At this time, if the conductivity between the electrodes is smaller than the threshold value found by the present invention, the conductivity is attenuated even in the absence of voltage application between the electrodes, and the conductivity between the electrodes is the threshold value. In the case where it is larger than that, the change in conductivity does not occur in the state where no voltage is applied.
(2) The conductivity smaller than the threshold value is obtained by a gap between an electrode made of an ion diffusing material and a metal electrode, or a gap between a metal protrusion formed on the electrode surface made of an ion diffusing material and the metal electrode, The conductivity higher than the threshold value is obtained by metal bridge formed by growing the metal protrusion in a gap between the electrode made of the ion diffusing material and the metal electrode.
(3) The threshold is characterized by the conductivity of a metal bridge formed by one or two atoms at the junction with the electrode. The conductivity of the metal bridge in which the junction is formed by one atom is ideally 77.5 μS (micro Siemens), but in reality, the arrangement of atoms forming the bridge and the atoms forming the bridge The threshold value varies between 50 and 200 [mu] S because it depends on the type (element). S (Siemens) is a unit of conductivity, and 1S = 1 / Ω.
(4) The time dependency when the conductivity smaller than the threshold value is attenuated depends on the frequency and intensity of signal input.
(5) The number of input signals required for transition to a state where the conductivity exceeds the threshold value and the conductivity is maintained depends on the intensity and frequency of the input signal.
(6) The ion diffusing material is an electron / ion mixed conductor which is a material capable of diffusing electrons in addition to ions.
(7) The mixed electron / ion conductor is a sulfide such as silver sulfide or copper sulfide, a selenium compound such as silver selenide or copper selenide, an iodide such as silver iodide, copper iodide or silver rubidium iodide, Or it is comprised by 1 type, or 2 or more types of these complex compounds, It is characterized by the above-mentioned.
(8) The ion diffusing material is a polymer solid electrolyte.
(9) The polymer solid electrolyte is composed of one or a mixture of two or more of polyethylene oxide, polymethoxyethoxy ethoxide phosphazene, methylsiloxane-ethylene oxide copolymer, polymethacrylic acid oligoethylene oxide. Features.
本発明を用いれば、電圧印加の無い状態で、かつ、記憶レベルが一定の値以下の場合には記憶レベルの減衰が起こり、記憶レベルが一定の値以上の場合には、記憶レベルの減衰が起こらないシナプス動作素子を実現できる。 According to the present invention, the storage level is attenuated when no voltage is applied and the storage level is below a certain value, and when the storage level is above a certain value, the storage level is attenuated. A synapse operation element that does not occur can be realized.
本発明では、イオン拡散材料電極と金属電極とをナノスケールの間隙を持って配置する。 In the present invention, the ion diffusion material electrode and the metal electrode are arranged with a nanoscale gap.
例えば、イオン拡散材料として硫化銀（Ａｇ２Ｓ）を、金属として白金（Ｐｔ）を用いることができる（図１ａ）。硫化銀電極に正の電圧（Ｖ１）を印加すると、トンネル効果によって金属電極から硫化銀電極に電子が供給される。この電子によって硫化銀電極内の銀イオンが還元されて中性の銀原子となって硫化銀電極の表面に析出してくる。このとき例えば、正の電圧（Ｖ１）が１００ｍＶ以下で、印加時間が１秒以下の場合、析出した銀原子は、硫化銀電極表面に突起を形成する（図１ｂ）。すなわち、電極間の伝導度は間隙のサイズが小さくなるほど高くなるので、この突起の成長により、電極間の伝導度は高くなる。 For example, silver sulfide (Ag 2 S) can be used as the ion diffusion material, and platinum (Pt) can be used as the metal (FIG. 1a). When a positive voltage (V1) is applied to the silver sulfide electrode, electrons are supplied from the metal electrode to the silver sulfide electrode by the tunnel effect. The silver ions in the silver sulfide electrode are reduced by these electrons and become neutral silver atoms, which are deposited on the surface of the silver sulfide electrode. At this time, for example, when the positive voltage (V1) is 100 mV or less and the application time is 1 second or less, the deposited silver atoms form protrusions on the surface of the silver sulfide electrode (FIG. 1b). That is, the conductivity between the electrodes increases as the size of the gap decreases, so that the conductivity between the electrodes increases due to the growth of the protrusions.
次に、印加電圧を十分小さな値（Ｖ２）にすると、析出した銀原子が硫化銀表面上を拡散したり、析出によって減少した硫化銀電極内部の銀イオン濃度を補償するために硫化銀内部に再固溶する（図１ｃ）。その結果、形成された銀突起のサイズは小さくなり、電極間の伝導度は小さくなる。この十分小さな電圧値（Ｖ２）を印加する時間が長ければ、析出した銀原子が全て無くなり、伝導度は初期の値に戻る。なお、十分小さな電圧値：Ｖ２は、ゼロでも良いし、その極性は正負のいずれでも良い。イオン拡散材料として硫化銀を用いる場合は、Ｖ２として、概ね１０ミリボルト以下の電圧値を用いることが望ましいが、その値は用途に依存する。次に、再び硫化銀電極に正の電圧（Ｖ１）を印加すると、硫化銀電極から析出した銀原子によって突起が形成される（図１ｄ）。 Next, when the applied voltage is set to a sufficiently small value (V2), the precipitated silver atoms diffuse on the surface of the silver sulfide, or in order to compensate for the reduced silver ion concentration inside the silver sulfide electrode due to the precipitation. It dissolves again (FIG. 1c). As a result, the size of the formed silver protrusion is reduced and the conductivity between the electrodes is reduced. If the time for applying this sufficiently small voltage value (V2) is long, all the precipitated silver atoms disappear and the conductivity returns to the initial value. The sufficiently small voltage value V2 may be zero, and the polarity may be positive or negative. When silver sulfide is used as the ion diffusing material, it is desirable to use a voltage value of approximately 10 millivolts or less as V2, but this value depends on the application. Next, when a positive voltage (V1) is applied again to the silver sulfide electrode, protrusions are formed by silver atoms deposited from the silver sulfide electrode (FIG. 1d).
その後、硫化銀電極に印加する電圧を十分小さな値（Ｖ２）に戻すと、突起を構成する銀原子の一部（ないし、全て）が拡散や再固溶によって消失し、突起が小さく（ないし、無く）なる（図１ｅ）。さらに再び正電圧（Ｖ１）を硫化銀電極に印加すると、成長した突起が対向する白金電極に到達し、架橋を形成する（図１ｆ）。一旦架橋が形成されると、印加電圧を十分小さな値（Ｖ２）に下げても、架橋は安定に存在する（図１ｇ）。すなわち、電極間の高い伝導度が保持される。 Thereafter, when the voltage applied to the silver sulfide electrode is returned to a sufficiently small value (V2), a part (or all) of silver atoms constituting the protrusion disappears by diffusion or re-solution, and the protrusion is small (or (FIG. 1e). When a positive voltage (V1) is applied to the silver sulfide electrode again, the grown protrusions reach the opposing platinum electrode and form a bridge (FIG. 1f). Once the bridge is formed, the bridge exists stably even when the applied voltage is lowered to a sufficiently small value (V2) (FIG. 1g). That is, high conductivity between the electrodes is maintained.
なお、上記では、正の電圧としてＶ１を、十分小さな電圧値としてＶ２を用いたが、印加する電圧値は毎回同じである必要は無い。 In the above description, V1 is used as a positive voltage and V2 is used as a sufficiently small voltage value. However, the voltage value to be applied does not have to be the same every time.
本発明は、硫化銀電極の表面に形成された銀原子による突起が、銀原子の表面拡散や再固溶によって小さくなるということ、さらに、突起が成長して一旦架橋が形成されるとその架橋は安定に存在する、という発見に基づいている。すなわち、この新たに見いだされた物理・化学現象によって、信号の入力強度や入力頻度に依存した伝導度の時間変化を示す「シナプス動作素子」を実現した。 According to the present invention, the protrusion due to silver atoms formed on the surface of the silver sulfide electrode is reduced by the surface diffusion and re-dissolution of silver atoms, and further, once the protrusion grows to form a crosslink, the crosslink Is based on the discovery that it exists stably. In other words, this newly discovered physical and chemical phenomenon has realized a “synaptic operation element” that exhibits a temporal change in conductivity depending on the input intensity and input frequency of a signal.
図２により、図１に示した「シナプス動作素子」の動作結果の一例を説明する。この実施例では、イオン拡散材料として硫化銀を、金属電極材料として白金を用いた。硫化銀電極に印加する正の電圧（Ｖ１）として、大きさ８０ｍＶ、幅０．５秒のパルス電圧を用いた。このパルス電圧を２秒間隔で入力し、それ以外の間、１０ｍＶの電圧を硫化銀電極に印加して、電極間の伝導度を測定した。パルス印加前の伝導度はほぼゼロＳであった。なお、Ｓ（ジーメンス）は伝導度の単位で、１Ｓ＝１／Ωとなる。最初の２パルスまでは、パルス電圧を印加している間のみ、伝導度がわずかに増加していることが分かる。さらに、３発目のパルス印加では、パルス印加とともに伝導度が４０μＳ近くまで上昇し、パルス印加が終わると同時に１０μＳ程度の伝導度の減衰が起こっている。４発目のパルスでは、伝導度は一時的に１００μＳ程度まで上昇し、その後、減衰している。５発目、６発目のパルス印加時も同様なパルス印加に伴う伝導度の上昇と、印加終了に伴う伝導度の減衰が観測されている。ところが、７発目のパルス印加で８０μＳ程度まで上昇した伝導度はパルス印加後も減衰すること無く、８０μＳ程度の伝導度を保持していることが分かる。 An example of the operation result of the “synaptic operation element” shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. In this example, silver sulfide was used as the ion diffusion material, and platinum was used as the metal electrode material. As a positive voltage (V1) applied to the silver sulfide electrode, a pulse voltage having a size of 80 mV and a width of 0.5 seconds was used. This pulse voltage was inputted at intervals of 2 seconds, and a voltage of 10 mV was applied to the silver sulfide electrodes during the other periods, and the conductivity between the electrodes was measured. The conductivity before applying the pulse was almost zero S. S (Siemens) is a unit of conductivity, and 1S = 1 / Ω. It can be seen that until the first two pulses, the conductivity slightly increases only while the pulse voltage is applied. Further, in the third pulse application, the conductivity increases to nearly 40 μS with the pulse application, and at the same time as the pulse application is finished, the conductivity is attenuated by about 10 μS. In the fourth pulse, the conductivity temporarily rises to about 100 μS and then decays. A similar increase in conductivity associated with the application of the pulse and attenuation of the conductivity associated with the end of the application are observed when the fifth and sixth pulses are applied. However, it can be seen that the conductivity increased to about 80 μS by the seventh pulse application is not attenuated even after the pulse application, and the conductivity of about 80 μS is maintained.
以上の結果は、硫化銀電極と白金電極で構成したシナプス動作素子が、約８０μＳの伝導度に達するまではパルス電圧印加後に伝導度の減衰を示し、伝導度が約８０μＳに達した後は、その伝導度を保持することを示している。すなわち、脳型回路を実現する上で不可欠な短期可塑性と長期増強が達成されている。なお、約８０μＳの伝導度は、接合点が一原子で構成された金属架橋の伝導度（理論的には、７７．５μＳになることが指摘されている）に対応しており、析出した銀原子によって形成された突起が白金電極に到達する（架橋を形成する）ことによって安定化することに起因していることが分かった。また、４発目から６発目のパルス印加時にも約８０μＳを超える伝導度が一時的に観測されているが、その後減衰している。この理由は、銀原子の析出によって一時的に突起が白金電極に到達するものの、突起内で銀原子が安定な原子配列に落ち着く過程で架橋が切断されるためであることが分かった。この原子配列の移動は概ね数秒以内で起こることから、数秒以上にわたって約８０μＳの伝導度が保持されている場合は、シナプス動作素子が長期増強モードに入ったことになる。 The above results show that the synaptic operation element composed of the silver sulfide electrode and the platinum electrode shows a decrease in conductivity after applying the pulse voltage until the conductivity reaches about 80 μS, and after the conductivity reaches about 80 μS, It shows that the conductivity is maintained. That is, short-term plasticity and long-term enhancement that are indispensable for realizing a brain-type circuit have been achieved. Note that the conductivity of about 80 μS corresponds to the conductivity of a metal bridge whose junction is composed of one atom (theoretically, 77.5 μS has been pointed out). It was found that the protrusions formed by the atoms were stabilized by reaching the platinum electrode (forming a bridge). In addition, conductivity exceeding about 80 μS is temporarily observed even when the fourth to sixth pulses are applied, but after that, the conductivity is attenuated. The reason for this is that although the projections temporarily reach the platinum electrode due to the precipitation of silver atoms, the crosslinks are cut in the process in which the silver atoms settle into a stable atomic arrangement within the projections. Since the movement of the atomic arrangement occurs within a few seconds, if the conductivity of about 80 μS is maintained for a few seconds or more, the synapse operating element has entered the long-term enhancement mode.
以上の例では、大きさ８０ｍＶ、幅０．５秒のパルス電圧を用いたが、パルス電圧の大きさや幅は変更可能である。長期増強モードに入るまでのパルス数などのパルス電圧の大きさやパルス幅依存性については、以降の実施例で改めて説明する。
なお、本実施例では、十分小さな電圧として１０ｍＶを用いた。極性的には白金電極から硫化銀電極に電子が供給され、硫化銀電極から銀の析出が起こってもよいが、電圧が十分に小さいため、本実施例における観測時間のスケールでは、銀析出が起こっていない。また逆に、銀原子が固溶すべき極性の電圧ではないことから、この１０ｍＶの電圧印加によって、銀原子の固溶、すなわち、伝導度の減衰が起きた訳でもない。
In the above example, a pulse voltage having a magnitude of 80 mV and a width of 0.5 seconds is used. However, the magnitude and width of the pulse voltage can be changed. The dependency of the pulse voltage, such as the number of pulses until the long-term enhancement mode is entered, and the pulse width dependency will be described again in the following examples.
In this example, 10 mV was used as a sufficiently small voltage. In terms of polarity, electrons may be supplied from the platinum electrode to the silver sulfide electrode, and silver deposition may occur from the silver sulfide electrode. However, since the voltage is sufficiently small, on the scale of the observation time in this example, the silver deposition does not occur. Not happening. On the other hand, since the voltage is not a polarity at which silver atoms should be dissolved, the application of the voltage of 10 mV does not cause a solid solution of silver atoms, that is, a decrease in conductivity.
本実施例では、パルス電圧を印加する時間間隔が長い場合のシナプス動作素子の伝導度変化について説明する。実施例１と同様、硫化銀電極と白金電極からなるシナプス動作素子を用いた。また、大きさ８０ｍＶ、幅０．５秒のパルスを、２０秒間隔で硫化銀電極に印加した。それ以外の間、１０ｍＶの電圧を印加して、伝導度の測定を行った。この測定結果を図３に示す。最初の３パルス目まではパルス印加の間のみ、わずかな伝導度の上昇が確認できる。４発目のパルス印加では、伝導度が瞬間的に７７．５μＳを超えたものの、パルス印加終了とともに、伝導度がほぼゼロＳに戻っている。これ以降、５発目から１２発目のパルス印加でも、パルス印加に伴う伝導度の上昇とパルス印加終了に伴う伝導度の減衰が観測された。減衰後の伝導度はパルス数の増加に伴って２０μＳ程度まで高くなったものの、減衰を示さない安定的な伝導度（７７．５μＳ）まで到達することは無かった。 In this embodiment, a change in conductivity of the synapse operation element when the time interval for applying the pulse voltage is long will be described. As in Example 1, a synapse operating element composed of a silver sulfide electrode and a platinum electrode was used. Further, a pulse having a size of 80 mV and a width of 0.5 seconds was applied to the silver sulfide electrode at intervals of 20 seconds. During the rest, a voltage of 10 mV was applied and the conductivity was measured. The measurement results are shown in FIG. Up to the first third pulse, a slight increase in conductivity can be confirmed only during the pulse application. In the fourth pulse application, the conductivity instantaneously exceeded 77.5 μS, but the conductivity returned to almost zero S with the end of the pulse application. Thereafter, even in the fifth to twelfth pulse application, an increase in conductivity accompanying the pulse application and a decrease in conductivity accompanying the end of the pulse application were observed. Although the conductivity after attenuation increased to about 20 μS as the number of pulses increased, it did not reach a stable conductivity (77.5 μS) showing no attenuation.
以上の観測結果を、図４を用いて説明する。本実施例では、イオン拡散材料として硫化銀（Ａｇ２Ｓ）を、金属として白金（Ｐｔ）を用いてシナプス動作素子が形成されている（図４ａ）。硫化銀電極に正の電圧（Ｖ１）を印加すると、トンネル効果によって金属電極から硫化銀電極に供給された電子が硫化銀電極内の銀イオンを還元する。その結果、銀原子が硫化銀電極の表面に析出し、突起を形成する（図４ｂ）。次に、印加電圧を十分小さな値（Ｖ２）にすると、析出した銀原子の硫化銀表面上での拡散や、硫化銀内部への再固溶が起こる。その結果、突起のサイズは小さくなり（図４ｃ）、２０秒経過の間に殆ど消失する（図４ｄ）。その後再びパルス電圧が印加されると、銀原子の析出が起こり、銀突起が成長する（図４ｅ）。パルス印加後は、再び、析出した銀原子の硫化銀表面上拡散や硫化銀内部への再固溶による銀突起サイズの縮小化（図４ｆ）が起こり、突起がほぼ消滅する（図４ｇ）。パルス電圧を印加すると、再び銀突起の成長が起こり（図４ｈ）、パルス印加後は銀突起のサイズ縮小・消滅が起こる。パルス印加の頻度が低い場合には、次のパルス入力までの間に銀突起がほぼ消滅してしまうので、安定的な架橋形成（長期増強モード）には至らない。 The above observation results will be described with reference to FIG. In this embodiment, a synapse operation element is formed using silver sulfide (Ag 2 S) as an ion diffusion material and platinum (Pt) as a metal (FIG. 4a). When a positive voltage (V1) is applied to the silver sulfide electrode, electrons supplied from the metal electrode to the silver sulfide electrode by the tunnel effect reduce silver ions in the silver sulfide electrode. As a result, silver atoms are deposited on the surface of the silver sulfide electrode to form protrusions (FIG. 4b). Next, when the applied voltage is set to a sufficiently small value (V2), the precipitated silver atoms are diffused on the surface of silver sulfide and re-dissolved inside the silver sulfide. As a result, the size of the protrusion is reduced (FIG. 4c) and almost disappears after 20 seconds (FIG. 4d). Thereafter, when a pulse voltage is applied again, silver atoms are precipitated and silver protrusions grow (FIG. 4e). After the pulse application, the silver protrusion size is reduced again (FIG. 4f) due to diffusion of precipitated silver atoms on the surface of the silver sulfide and re-dissolution into the inside of the silver sulfide (FIG. 4f). When a pulse voltage is applied, the silver protrusion grows again (FIG. 4h), and after the pulse is applied, the size and disappearance of the silver protrusion occurs. When the frequency of pulse application is low, the silver protrusions almost disappear before the next pulse input, so stable bridge formation (long-term enhancement mode) cannot be achieved.
なお、本実施例ではパルス印加間隔を２０秒に設定したが、パルスの大きさや幅に依存して、長期増強モードに至らない条件は変化する。また、パルス間隔やパルスの大きさ・幅が一定である必要は無い。 In the present embodiment, the pulse application interval is set to 20 seconds, but the conditions for not reaching the long-term enhancement mode vary depending on the magnitude and width of the pulse. Further, the pulse interval and the pulse size / width need not be constant.
本実施例では、短期可塑性と長期増強を利用した画像記憶について説明する。シナプス動作素子が有する短期可塑性ならびに長期増強を利用すると、頻繁に入力される情報のみを選択的に記憶することが可能になる。図５を用いて、その原理を説明する。
人間の記憶モードには、信号が入力されている間だけわずかに反応する「感覚記憶」と、信号入力後も情報を記憶するが、その記憶レベルが時間とともに減衰してしまう「短期記憶」、さらには、長期にわたって記憶レベルが保たれる「長期記憶」がある。
図５ａでは、情報の入力が頻繁では無い場合のシナプス動作素子の記憶過程が示されている。すなわち、最初の情報入力では、感覚記憶が実現されている。次の情報入力では、記憶レベルの顕著な上昇がみられるが、情報入力の終了に伴って記憶レベルが減衰し、記憶レベルはほぼゼロに戻っている。さらに次の情報入力でも一時的な記憶レベルの上昇が確認されるが、情報入力の終了に伴う記憶レベルの減衰によって情報は消失する。この様子は、図２に示したシナプス動作素子の動作に対応している。
In this embodiment, image storage using short-term plasticity and long-term enhancement will be described. By utilizing the short-term plasticity and long-term enhancement of the synaptic operating element, it is possible to selectively store only frequently inputted information. The principle will be described with reference to FIG.
In human memory mode, “sensory memory” that reacts only slightly while a signal is being input, and “short-term memory” in which information is stored even after the signal is input, but the memory level decreases with time, Furthermore, there is “long-term memory” in which the memory level is maintained for a long time.
FIG. 5a shows the storage process of the synapse operating element when the input of information is not frequent. That is, sensory memory is realized in the first information input. In the next information input, the storage level is significantly increased, but the storage level is attenuated with the end of the information input, and the storage level returns to almost zero. Further, a temporary increase in the storage level is confirmed even at the next information input, but the information disappears due to the attenuation of the storage level accompanying the end of the information input. This state corresponds to the operation of the synapse operation element shown in FIG.
一方、情報の入力頻度が高い場合は、長期記憶が実現される（図５ｂ）。すなわち、始めの数回の情報入力では、感覚記憶が実現される。それに続いて、短期記憶が実現される。このとき、次の情報入力までの時間が短ければ記憶が完全に減衰してしまうことはない。従って、入力情報のレベルが同じであっても、次の情報入力によって到達する記憶レベルは高くなる。その結果、記憶レベルは長期記憶モードのレベルに到達する。一旦長期記憶モードに到達すると、記憶を消去するためには、強制的な忘却を実行するための電圧を印加する必要がある。例えば硫化銀電極を用いたシナプス動作素子であれば、硫化銀電極に負の電圧を印加する必要がある。 On the other hand, when the information input frequency is high, long-term storage is realized (FIG. 5b). That is, sensory memory is realized in the first few times of information input. Following that, short-term memory is realized. At this time, if the time until the next information input is short, the memory is not completely attenuated. Therefore, even if the level of the input information is the same, the storage level reached by the next information input becomes high. As a result, the storage level reaches the level of the long-term storage mode. Once the long-term memory mode is reached, it is necessary to apply a voltage for performing forced forgetting in order to erase the memory. For example, in the case of a synapse operation element using a silver sulfide electrode, it is necessary to apply a negative voltage to the silver sulfide electrode.
以上の説明では、いずれの場合でも始めに感覚記憶が観測されているが、入力信号（電圧）の大きさによっては、始めから短期記憶や長期記憶が実現されることもある。
図６を用いて、複数のシナプス動作素子で構成された画像記憶チップに、入力頻度を変えて２つの画像を記憶させた場合の実施結果を説明する。この実施例では、４９個のシナプス動作素子を用いて、７×７のアレーを構築した。図６ａに示す様に、「１」を記憶すべき各記憶画素（シナプス動作素子）に対しては、頻度高く（２秒毎に）信号を入力した。一方、「２」を記憶すべき各記憶画素（シナプス動作素子）に対しては、頻度低く（２０秒毎に）信号を入力した。なお、信号はいずれも、パルス大きさ：８０ｍＶ，パルス幅：０．５秒で、入力回数は１０回である。信号入力後の記憶状態を図６ｂに示す。濃淡で記憶レベルを示してある。１０回の画像入力直後は、「１」および「２」の画像がほぼ同等の記憶レベルで保持されていることがわかる（図６ｂ左側）。しかし２０秒後には、「２」に対応する記憶画素（シナプス動作素子）の記憶レベルが減衰し、「１」のみが鮮明に観察されている（図６ｂ右側）。その後も「１」に対応する記憶画素（シナプス動作素子）の記憶レベルは保持された。
In the above description, sensory memory is first observed in any case, but short-term memory or long-term memory may be realized from the beginning depending on the magnitude of the input signal (voltage).
With reference to FIG. 6, an implementation result when two images are stored at different input frequencies in an image storage chip configured with a plurality of synapse operation elements will be described. In this example, a 7 × 7 array was constructed using 49 synapse operating elements. As shown in FIG. 6a, a signal is input with high frequency (every 2 seconds) to each storage pixel (synaptic operation element) that should store “1”. On the other hand, a signal is input less frequently (every 20 seconds) to each storage pixel (synaptic operation element) that should store “2”. Each signal has a pulse size of 80 mV, a pulse width of 0.5 seconds, and an input count of 10 times. The storage state after the signal input is shown in FIG. The memory level is shown by shading. Immediately after inputting the image ten times, it can be seen that the images “1” and “2” are held at almost the same storage level (left side in FIG. 6B). However, after 20 seconds, the storage level of the storage pixel (synaptic operation element) corresponding to “2” is attenuated, and only “1” is clearly observed (right side of FIG. 6B). Thereafter, the storage level of the storage pixel (synaptic operation element) corresponding to “1” was maintained.
以上の様に、本発明を用いると、回数や強度が同じ信号を入力しても、その頻度によって異なる記憶状態を実現することができる。なお、後の比較例で説明するが、従来素子である「メムリスター」では、過去の入力情報を積分して記憶するが、記憶の減衰は起こらないので、同じ実験を行った場合、「１」と「２」は同じ記憶レベルで記憶されることになる。 As described above, when the present invention is used, even if signals having the same number of times and the same strength are input, different storage states can be realized depending on the frequency. As will be described later in the comparative example, the conventional element “Mem Lister” integrates and stores past input information. However, since the memory does not decay, “1” is obtained when the same experiment is performed. And “2” are stored at the same storage level.
本実施例では、長期記憶（長期増強）モードに到達するに必要な入力条件、長期記憶（長期増強）モードの安定性、ならびに短期記憶（短期可塑性）モードにおける記憶レベルの減衰率について説明する。
図７に、入力（パルス電圧）の条件を変数とした長期記憶（長期増強）モードが実現されるに必要なパルス数を示す。なお、本実施例では、イオン拡散材料として硫化銀を、金属電極材料として白金を用いた。図７ａに示す実施例では、パルス幅を０．５秒、入力間隔を２秒に固定し、パルスの大きさを６０ｍＶから９０ｍＶに変化させた。パルスの大きさが６０ｍＶの場合には長期記憶モードには殆ど到達しないことが分かる。しかし７０ｍＶでは、パルス入力数が６程度から長期記憶（長期増強）モードに到達するシナプス動作素子が現れ始め、入力パルス数の増加とともにその確率も高くなることが分かる。８０ｍＶでは、パルス入力数５で到達確率は５０％を超えている。９０ｍＶでは入力数３で、到達確率は８０％を超えるまでになっている。このように、入力パルスのわずかな条件の差によって、長期記憶（長期増強）モード到達に必要なパルス数が変化することがわかる。
In the present embodiment, the input conditions necessary to reach the long-term memory (long-term enhancement) mode, the stability of the long-term memory (long-term enhancement) mode, and the memory level decay rate in the short-term memory (short-term plasticity) mode will be described.
FIG. 7 shows the number of pulses necessary for realizing the long-term memory (long-term enhancement) mode with the input (pulse voltage) condition as a variable. In this example, silver sulfide was used as the ion diffusion material, and platinum was used as the metal electrode material. In the embodiment shown in FIG. 7a, the pulse width is fixed to 0.5 seconds, the input interval is fixed to 2 seconds, and the pulse size is changed from 60 mV to 90 mV. It can be seen that the long-term memory mode is hardly reached when the magnitude of the pulse is 60 mV. However, at 70 mV, it can be seen that synapse operating elements that reach the long-term memory (long-term enhancement) mode start appearing from the number of pulse inputs of about 6, and the probability increases as the number of input pulses increases. At 80 mV, the arrival probability exceeds 5% with 5 pulse inputs. At 90 mV, the number of inputs is 3, and the arrival probability exceeds 80%. Thus, it can be seen that the number of pulses required to reach the long-term memory (long-term enhancement) mode changes depending on a slight difference in the input pulse conditions.
図７ｂに示す実施例では、パルスの大きさを８０ｍＶに入力間隔を２秒に固定し、パルス幅を０．１２５秒から１秒に変化させて、長期記憶（長期増強）モードに到達するまでの入力パルス数を測定した。パルス幅が０．１２５秒では、長期記憶（長期増強）モードに到達するシナプス動作素子は殆ど無かった。パルス幅を０．２５秒にすると、入力パルス数５程度から長期記憶（長期増強）モードに到達するシナプス動作素子が現れ始め、入力数が１０回を超えると、殆どのシナプス動作素子が長期記憶（長期増強）モードに到達した。さらにパルス幅を拡げると、長期記憶（長期増強）モードに到達する入力回数は減少し、パルス幅１秒では、入力数４で殆どのシナプス動作素子が長期記憶（長期増強）モードに到達した。 In the embodiment shown in FIG. 7b, the pulse size is set to 80 mV, the input interval is fixed to 2 seconds, the pulse width is changed from 0.125 seconds to 1 second, and the long-term memory (long-term enhancement) mode is reached. The number of input pulses was measured. At a pulse width of 0.125 seconds, there were almost no synaptic elements that reached the long-term memory (long-term enhancement) mode. When the pulse width is 0.25 seconds, synapse elements that reach the long-term memory (long-term enhancement) mode start appearing from about 5 input pulses. When the number of inputs exceeds 10, most of the synapse elements are long-term memory. Reached (long-term enhancement) mode. When the pulse width was further expanded, the number of inputs reaching the long-term memory (long-term enhancement) mode decreased, and at a pulse width of 1 second, almost all synapse operating elements reached the long-term memory (long-term enhancement) mode with four inputs.
上記では、パルスの大きさ、ないしパルスの幅を変数として長期記憶（長期増強）モードに到達するパルス数を測定したが、入力間隔を変数としても良い。すなわち、入力間隔が短ければ少ないパルス数で長期記憶（長期増強）モードに到達できるし、入力間隔が長ければ、必要なパルス数は増加する。 In the above description, the number of pulses reaching the long-term memory (long-term enhancement) mode is measured using the pulse size or pulse width as a variable, but the input interval may be used as a variable. That is, if the input interval is short, the long-term memory (long-term enhancement) mode can be reached with a small number of pulses, and if the input interval is long, the necessary number of pulses increases.
次に、長期記憶（長期増強）モードの安定性について説明する。図８に、長期モードに到達したシナプス動作素子の伝導度の時間変化を示す。時刻ゼロにおいて１００ｍＶ、０．５秒幅のパルスを入力した結果、シナプス動作素子の伝導度が約３００μＳに到達した。図中に示す４×Ｇ０は、１個の原子で接合した架橋の伝導度（７７．５μＳ）：１×Ｇ０を単位とした場合の伝導度であり、４×Ｇ０は数個の原子で接合が形成されていることに対応する。電極間に５ｍＶの電圧を印加して伝導度の時間変化を測定した結果、２万秒にわたって伝導度が保持されていることが分かった。これは、短期記憶（短期可塑性）モードにおいては、数秒で記憶レベルが減衰してしまうことと対称的である。 Next, the stability of the long-term memory (long-term enhancement) mode will be described. FIG. 8 shows the change over time in the conductivity of the synapse operation element that has reached the long-term mode. As a result of inputting a pulse of 100 mV and a width of 0.5 seconds at time zero, the conductivity of the synapse operating element reached about 300 μS. The 4 × G 0 shown in the figure is the conductivity of the bridge bonded by one atom (77.5 μS): the conductivity in the unit of 1 × G 0 , and 4 × G 0 is several This corresponds to the fact that a bond is formed by atoms. As a result of measuring the time change in conductivity by applying a voltage of 5 mV between the electrodes, it was found that the conductivity was maintained for 20,000 seconds. This is in contrast to the memory level decaying in a few seconds in the short-term memory (short-term plasticity) mode.
次に、短期記憶（短期可塑性）モードにおける記憶レベルの減衰について説明する。図９に、各信号入力後に観測された記憶モード減衰率（減衰をｔ−ｍで現した場合の時定数：ｍ、なお、ｔは時間）を示す。この測定では、入力として、電圧値８０ｍＶ、０．５秒幅のパルス電圧を用いた。１回目の入力後の減衰率は０．３２であったが、入力回数が多くなるにつれて、減衰率が小さくなり、４回目の入力後には減衰率が０．１６になっている。これは、シナプス動作素子が過去の入力情報にも依存してその記憶レベルを減衰させる（減衰率が変化する）ことを意味している。 Next, the attenuation of the memory level in the short-term memory (short-term plasticity) mode will be described. FIG. 9 shows the memory mode attenuation rate observed after each signal input (time constant when attenuation is expressed by t− m : m, where t is time). In this measurement, a pulse voltage having a voltage value of 80 mV and a width of 0.5 seconds was used as an input. Although the attenuation rate after the first input was 0.32, the attenuation rate decreased as the number of inputs increased, and the attenuation rate became 0.16 after the fourth input. This means that the synapse operating element attenuates its memory level (the attenuation rate changes) depending on past input information.
記憶レベルの減衰を再現する方法としては、コンデンサー（容量：Ｃファラッド）と抵抗（抵抗値：Ｒオーム）を併用する方法がある。しかしながら、この場合の減衰率は１／ＣＲと一定であり、減衰率は入力頻度や入力信号の大きさなどに依存しない。さらには、記憶レベルがどんなに高くとも、そのレベルを保持することは出来ない。このため、本発明によるシナプス動作素子が示す様な、短期記憶（短期可塑性）や長期記憶（長期増強）の双方を再現することはできない。すなわち、人間の脳における記憶や演算、情報処理の特徴を再現することはできない。 As a method of reproducing the attenuation of the memory level, there is a method of using a capacitor (capacitance: C farad) and a resistance (resistance value: R ohm) in combination. However, the attenuation rate in this case is constant at 1 / CR, and the attenuation rate does not depend on the input frequency, the magnitude of the input signal, or the like. Furthermore, no matter how high the memory level is, it cannot be maintained. For this reason, it is impossible to reproduce both short-term memory (short-term plasticity) and long-term memory (long-term enhancement) as shown by the synaptic operation element according to the present invention. That is, it is impossible to reproduce the characteristics of memory, computation, and information processing in the human brain.
本比較例では、従来の「メムリスター」を用いた記憶の保持実験について説明する。メムリスターはイオン拡散材料中におけるイオン濃度分布を制御することで、イオン拡散材料を挟む電極間の伝導度を変化させる素子である。例えば、酸化チタンを白金電極で挟み、一方の電極を接地、もう一方の電極に電圧を印加する。このとき、正の電圧を印加すると、電圧を印加している間、酸素空孔が接地電極側に拡散する。酸化チタンは酸素空孔濃度が上昇すると伝導度が高くなることが知られており、酸素空孔の拡散によって酸素空孔濃度が高い領域（ｗ）が広がることで、電極間の伝導が高くなる。図１０にその様子を示す。例えば、電圧を０Ｖと１Ｖの間で走査すると、電圧は常に正の領域にあるので、接地電極側への酸素空孔の拡散がおこる。このため、走査中も含めて、走査する度に、伝導度の上昇がみられる。図中１，２，３は走査回数を示す。一方、負の電圧を印加すると、酸素空孔は反対側に拡散し、酸素空孔濃度の高い領域が小さくなる。この反対側への拡散も負の電圧領域を走査している間起こるので、走査中、ならびに走査の度毎に、伝導度の減少が起こる。なお、図１０では、電圧と電流の関係が示されているが、（電流／電圧）が伝導度に対応する。 In this comparative example, a memory retention experiment using a conventional “memristor” will be described. The memristor is an element that changes the conductivity between electrodes sandwiching the ion diffusing material by controlling the ion concentration distribution in the ion diffusing material. For example, titanium oxide is sandwiched between platinum electrodes, one electrode is grounded, and a voltage is applied to the other electrode. At this time, when a positive voltage is applied, oxygen vacancies diffuse to the ground electrode side while the voltage is applied. Titanium oxide is known to have higher conductivity when the oxygen vacancy concentration is increased, and diffusion between oxygen vacancies increases the region (w) where the oxygen vacancy concentration is high, thereby increasing the conductivity between the electrodes. . This is shown in FIG. For example, when the voltage is scanned between 0 V and 1 V, since the voltage is always in the positive region, oxygen vacancies diffuse to the ground electrode side. For this reason, the conductivity increases every time scanning is performed, including during scanning. In the figure, 1, 2 and 3 indicate the number of scans. On the other hand, when a negative voltage is applied, the oxygen vacancies diffuse to the opposite side, and the region with a high oxygen vacancy concentration becomes smaller. This reverse diffusion also occurs while scanning the negative voltage region, so that a decrease in conductivity occurs during and every scan. In FIG. 10, the relationship between voltage and current is shown, but (current / voltage) corresponds to conductivity.
以上の特徴を有するメムリスターを用いて記憶状態に関する測定を行った結果を図１１に示す。図１１ａに示す測定では、２００ｍＶ、０．５秒幅のパルスを２秒間隔で入力した。その結果、各パルスの入力時に記憶レベルの上昇が観測されたが、各パルスの入力後は、一定の記憶レベルが保持された。この結果は、メムリスターが不揮発性記憶素子として利用されていることとも一致する。図１１ｂに示す測定では、パルスの大きさや極性を変化させてみた。その結果、パルスの大きさに依存して記憶レベルの変化量が異なること、逆向きのパルスを入力すると記憶レベルが下がることが分かった。しかしながら、各パルスの入力の間はやはり、記憶レベルは一定に保たれていた。このように、メムリスターを用いた場合、信号入力によって記憶レベルを変化させることは可能であるが、電圧を印加しない（十分小さい電圧の印加を含む）状態では記憶レベルの減衰は起こらないため、いわゆる短期記憶（短期可塑性）モードは実現することができない。人間の脳においては、短期記憶（短期可塑性）モードと長期記憶（長期増強）モードの双方があることが特徴であり、メムリスターではその特徴が再現できないことがわかる。 FIG. 11 shows the result of measurement relating to the memory state using the memristor having the above characteristics. In the measurement shown in FIG. 11a, a pulse of 200 mV and a width of 0.5 seconds was input at intervals of 2 seconds. As a result, an increase in the memory level was observed when each pulse was input, but a constant memory level was maintained after each pulse was input. This result is consistent with memristors being used as nonvolatile memory elements. In the measurement shown in FIG. 11b, the magnitude and polarity of the pulse were changed. As a result, it was found that the amount of change in the memory level varies depending on the magnitude of the pulse, and that the memory level decreases when a reverse pulse is input. However, the memory level was kept constant during the input of each pulse. As described above, when the memristor is used, it is possible to change the memory level by signal input. However, since the memory level is not attenuated in a state where no voltage is applied (including application of a sufficiently small voltage), the so-called memory level does not occur. Short-term memory (short-term plasticity) mode cannot be realized. The human brain is characterized by having both a short-term memory (short-term plasticity) mode and a long-term memory (long-term enhancement) mode, and it can be seen that the characteristics cannot be reproduced by memristor.
本実施例では、イオン拡散材料として硫化銀以外の材料を用いたシナプス動作素子の動作特性について説明する。 In this embodiment, the operation characteristics of a synapse operation element using a material other than silver sulfide as an ion diffusion material will be described.
まず、イオン拡散材料として硫化銅を用いたシナプス動作素子の動作特性について説明する。パルス幅にも依存するが、硫化銅では、概ね２００ｍＶ以下の電圧を用いることで、短期記憶（短期可塑性）と長期記憶（長期増強）を実現することが出来る。図１２に、パルス幅０．５秒、入力間隔２秒の場合における、長期記憶（長期増強）モードに到達するに必要なパルス数の計測結果を示す。なお、パルスの大きさとして、５０ｍＶ，１００ｍＶ，１５０ｍＶ，２００ｍＶを用いた。パルス電圧の大きさが５０ｍＶの場合は、殆ど長期記憶（長期増強）モードが実現されることは無かったが、１００ｍＶ、１５０ｍＶと電圧値を大きくするに従い、長期記憶（長期増強）モードに到達するシナプス動作素子の割合が増え、２００ｍＶでは、パルス数４で半数以上のシナプス動作素子が長期記憶（長期増強）モードに到達し、パルス数１０では殆どのシナプス動作素子が長期記憶（長期増強）モードに到達した。 First, operation characteristics of a synapse operation element using copper sulfide as an ion diffusion material will be described. Although depending on the pulse width, short-term memory (short-term plasticity) and long-term memory (long-term enhancement) can be realized by using a voltage of approximately 200 mV or less in copper sulfide. FIG. 12 shows the measurement results of the number of pulses required to reach the long-term memory (long-term enhancement) mode when the pulse width is 0.5 seconds and the input interval is 2 seconds. Note that 50 mV, 100 mV, 150 mV, and 200 mV were used as the magnitudes of the pulses. When the magnitude of the pulse voltage is 50 mV, the long-term memory (long-term enhancement) mode is hardly realized, but the long-term memory (long-term enhancement) mode is reached as the voltage values are increased to 100 mV and 150 mV. At 200 mV, more than half of the synapse operating elements reach the long-term memory (long-term enhancement) mode at 200 mV, and at the number of pulses 10 almost all synapse operating elements are in the long-term memory (long-term enhancement) mode. Reached.
なお、硫化銀をイオン拡散材料に用いた場合と比べて用いるパルスの電圧値が大きいが、これは硫化銅内部の銅イオンが還元されて銅原子として析出する際の活性化エネルギーが、硫化銀中の銀イオンが銀原子として還元される際の活性化エネルギーよりも高いことにおもに起因している。このほか、セレン化銀やセレン化銅などのセレン化合物、ヨウ化銀やヨウ化銅、ヨウ化ルビジウムなどのヨウ化物、さらには、それらの化合物など、還元反応によって金属原子の析出が可能な電子・イオン混合伝導体材料であれば、本発明を実施することができる。 The voltage value of the pulse used is larger than when silver sulfide is used as the ion diffusion material. This is because the activation energy when the copper ions inside the copper sulfide are reduced and deposited as copper atoms is silver sulfide. This is mainly due to the fact that the silver ions inside are higher than the activation energy when they are reduced as silver atoms. In addition, selenium compounds such as silver selenide and copper selenide, iodides such as silver iodide, copper iodide, and rubidium iodide, and those compounds that can deposit metal atoms by a reduction reaction -If it is an ion mixed conductor material, this invention can be implemented.
次に、イオン拡散材料として高分子材料を用いたシナプス動作素子の動作特性を説明する。図１３に、イオン拡散材料として銀イオンを内包するポリエチレンオキシドを用いたシナプス動作素子の動作特性を示す。イオン拡散材料として硫化銀を用いた場合と同様、ポリエチレンオキシド電極と金属電極間には間隙を設けてある。正の電圧をポリエチレンオキシド電極に印加することでポリエチレンオキシド中の銀イオンを還元して析出、銀突起を形成する。なお、ポリエチレンオキシドを用いる場合、入力するパルスの幅や入力間隔にも依存するが、概ね、パルス電圧値として、１００ｍＶから１Ｖ程度の範囲で短期記憶（短期可塑性）と長期記憶（長期増強）の各モードを実現することができる。 Next, operation characteristics of a synapse operation element using a polymer material as an ion diffusion material will be described. FIG. 13 shows operating characteristics of a synapse operating element using polyethylene oxide containing silver ions as an ion diffusing material. As in the case of using silver sulfide as the ion diffusion material, a gap is provided between the polyethylene oxide electrode and the metal electrode. By applying a positive voltage to the polyethylene oxide electrode, silver ions in the polyethylene oxide are reduced and deposited to form silver protrusions. When polyethylene oxide is used, although depending on the width of the input pulse and the input interval, the short-term memory (short-term plasticity) and the long-term memory (long-term enhancement) are generally in the range of about 100 mV to 1 V as the pulse voltage value. Each mode can be realized.
図１３に示す通り、２００ｍＶでは、長期記憶（長期増強）モードに到達させるには、１０回以上のパルス入力が不可欠である。一方、４００ｍＶでは、４回程度から長期記憶（長期増強）モードに到達するシナプス動作素子が現れ始め、１０回程度ではおよそ半数のシナプス動作素子が長期記憶（長期増強）モードに到達した。さらに電圧を大きくすると、長期記憶（長期増強）モードに到達するに必要なパルス数は減少し、８００ｍＶでは、７回でほぼすべてのシナプス動作素子が長期記憶（長期増強）モードに到達することが分かった。 As shown in FIG. 13, at 200 mV, 10 or more pulse inputs are indispensable to reach the long-term memory (long-term enhancement) mode. On the other hand, at 400 mV, synapse operating elements that reach the long-term memory (long-term enhancement) mode started appearing from about four times, and about half of the synapse operating elements reached the long-term memory (long-term enhancement) mode at about ten times. When the voltage is further increased, the number of pulses required to reach the long-term memory (long-term enhancement) mode is reduced. At 800 mV, almost all synapse operating elements can reach the long-term memory (long-term enhancement) mode in seven times. I understood.
このほか、金属イオンを内包可能で、電圧印加によって内包イオンが拡散可能な高分子固体電解質であれば、それらをイオン拡散材料として用いることでシナプス動作素子の動作を実現できる。また、本実施例では、予め銀イオンをポリエチレンオキシドに内包させたが、ポリエチレンオキシドを銀基板上に形成し、電圧印加によってポリエチレンオキシド中に取り込むことも可能である。この方法は、他の高分子固体電解質にも適用できる。銅などの銀以外の金属を用いることができることも言うまでもない。 In addition, if the polymer solid electrolyte is capable of encapsulating metal ions and diffusing the encapsulated ions by applying a voltage, the operation of the synapse operating element can be realized by using them as an ion diffusing material. In this embodiment, silver ions are encapsulated in polyethylene oxide in advance, but it is also possible to form polyethylene oxide on a silver substrate and take it into polyethylene oxide by applying a voltage. This method can also be applied to other polymer solid electrolytes. It goes without saying that metals other than silver, such as copper, can be used.
本実施例では、短期可塑性モードと長期増強モードを分ける閾値について説明する。本発明は、硫化銀電極の表面に形成された銀原子による突起が、銀原子の表面拡散や再固溶によって小さくなるということ、さらに、突起が成長して一旦架橋が形成されるとその架橋は安定に存在する、という発見に基づいている。従って、短期可塑性モードと長期増強モードとを分ける閾値（伝導度）は、架橋が形成されているか否かを分ける値となる。その値は、電極材料や温度、さらにはシナプス動作素子の過去の動作履歴などに依存するが、詳細な調査の結果、閾値が、５０μＳから２００μＳの範囲内にあることが分かった。なお、閾値は電極との接合点が原子一個ないし二個で形成された金属架橋の伝導度であり、例えば、原子一個で接合点が形成された金属架橋の伝導度は、理想的には７７．５μＳ（マイクロジーメンス）である。実際の伝導度は、架橋を形成する原子の配列や架橋を形成する原子の種類（元素）にも依存するので、閾値に分布があることが分かった。すなわち、同一のシナプス動作素子であっても、条件によって、閾値は５０〜２００μＳの間で変わり得るということである。 In this embodiment, a threshold value for separating the short-term plastic mode and the long-term enhancement mode will be described. According to the present invention, the protrusion due to silver atoms formed on the surface of the silver sulfide electrode is reduced by the surface diffusion and re-dissolution of silver atoms, and further, once the protrusion grows to form a crosslink, the crosslink Is based on the discovery that it exists stably. Therefore, the threshold value (conductivity) that separates the short-term plastic mode and the long-term enhancement mode is a value that determines whether or not cross-linking is formed. The value depends on the electrode material, the temperature, and the past operation history of the synapse operation element. As a result of detailed investigation, it was found that the threshold value is in the range of 50 μS to 200 μS. The threshold value is the conductivity of the metal bridge formed by one or two junctions with the electrode. For example, the conductivity of the metal bridge formed by one atom is ideally 77. .5 μS (Micro Siemens). Since the actual conductivity depends on the arrangement of the atoms forming the bridge and the type (element) of the atoms forming the bridge, it was found that the threshold has a distribution. That is, even for the same synapse operation element, the threshold value can be changed between 50 to 200 μS depending on conditions.
図１４に、イオン拡散材料として硫化銀を用いた場合の伝導度の時間変化に関する測定結果の一例を示す。図１４（ａ）では、大きさ８０ｍＶ、幅０．５秒のパルスを、２０秒間隔で１２回入力し、１２回入力直後の伝導度と、入力後２０秒経過した時点での伝導度を測定した。１２回入力直後の伝導度が１３０μＳ以下では、殆どの場合、２０秒経過後に伝導度が小さくなっており、概ね、短期可塑性モードにあることが分かる。一方、１２回入力直後の伝導度が１６５μＳ以上では、２０秒経過後も伝導度が保持されており、長期増強モードにあることが分かる。すなわちこの測定では、閾値は１５０μＳ程度となっている。図１４（ｂ）に、大きさ８０ｍＶ、幅０．５秒のパルスを、２秒間隔で１２回入力した場合の測定結果を示す。この測定例では、１２回入力直後の伝導度が７７．５μＳ以下でも伝導度が保持される（長期増強モードにある）場合がある一方で、１２回入力直後の伝導度が１００μＳ以上でも、伝導度が減衰する（短期可塑性モードにある）場合があることがわかる。 In FIG. 14, an example of the measurement result regarding the time change of conductivity at the time of using silver sulfide as an ion diffusion material is shown. In FIG. 14 (a), a pulse having a size of 80 mV and a width of 0.5 seconds is input 12 times at 20-second intervals, and the conductivity immediately after the 12th input and the conductivity when 20 seconds have elapsed after the input are shown. It was measured. When the conductivity immediately after 12 times of input is 130 μS or less, in most cases, the conductivity decreases after the elapse of 20 seconds, indicating that the short-term plastic mode is generally obtained. On the other hand, when the conductivity immediately after the 12th input is 165 μS or more, the conductivity is maintained even after 20 seconds have elapsed, and it can be seen that the mode is in the long-term enhancement mode. That is, in this measurement, the threshold is about 150 μS. FIG. 14B shows a measurement result when a pulse having a size of 80 mV and a width of 0.5 seconds is input 12 times at intervals of 2 seconds. In this measurement example, the conductivity may be maintained even when the conductivity immediately after the 12th input is 77.5 μS or less (in the long-term enhancement mode), while the conductivity just after the 12th input is 100 μS or more. It can be seen that the degree may be attenuated (in short-term plasticity mode).
以上の結果は、本発明に基づく閾値がある幅をもって分布していることを示しているが、閾値に幅があっても、シナプス動作素子を脳型回路に用いることになんら不都合は無い。それどころか、曖昧さは脳の特徴でもあり、本発明に基づくシナプス動作素子が脳の特徴をより忠実に再現できることを示している。 Although the above results show that the threshold values according to the present invention are distributed with a certain width, there is no inconvenience in using the synapse operation element in the brain-type circuit even if the threshold value has a width. On the contrary, ambiguity is also a feature of the brain, indicating that the synaptic motion element according to the present invention can reproduce the features of the brain more faithfully.
本発明によれば、脳におけるシナプスの特徴である短期可塑性モードと長期増強モードとを再現可能なシナプス動作素子が提供される。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the synapse operation | movement element which can reproduce the short-term plasticity mode and long-term enhancement mode which are the characteristics of the synapse in a brain is provided.
Claims (5)
前記電極と間隙を持って配置された金属電極とで構成され、
信号入力によって前記電極間の伝導度が変化するシナプス動作素子であって、
前記電極間の前記変化した伝導度が閾値よりも小さい場合には前記電極間への電圧印加が無い状態でも伝導度の減衰が起こり、
前記電極間の前記変化した伝導度が閾値よりも大きい場合には電圧印加が無い状態では伝導度の変化が起こらず、
前記イオン拡散材料が高分子固体電解質であり、
前記閾値よりも高い伝導度は、前記イオン拡散材料中の金属イオンが前記イオン拡散材料からなる電極表面に金属として析出して前記金属電極との間に架橋を形成した時の伝導度であり、
前記閾値よりも低い伝導度は、前記架橋が形成されていないときの伝導度である
シナプス動作素子。 An electrode made of an ion diffusing material, which is a material capable of diffusing metal ions inside,
The electrode and the metal electrode arranged with a gap,
A synapse operation element in which the conductivity between the electrodes changes according to a signal input,
Ri Oko attenuation of conductivity even at the changed voltage is applied the absence of the between the electrodes when the conductivity is less than a threshold between the electrodes,
If the changed conductivity between the electrodes is greater than a threshold, no change in conductivity occurs in the absence of voltage application ,
The ion diffusion material is a polymer solid electrolyte;
The conductivity higher than the threshold is the conductivity when metal ions in the ion diffusing material are deposited as a metal on the electrode surface made of the ion diffusing material to form a bridge between the metal electrodes,
The conductivity lower than the threshold is a conductivity when the bridge is not formed . Synaptic operation element.
The polymer solid electrolyte is composed of one or a mixture of two or more of polyethylene oxide, polymethoxyethoxy ethoxide phosphazene, methylsiloxane-ethylene oxide copolymer, polymethacrylic acid oligoethylene oxide. The synapse operation element according to any one of 4.
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