JPH06120522A - Semiconductor device for image processing - Google Patents

Semiconductor device for image processing

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JPH06120522A
JPH06120522A JP4290916A JP29091692A JPH06120522A JP H06120522 A JPH06120522 A JP H06120522A JP 4290916 A JP4290916 A JP 4290916A JP 29091692 A JP29091692 A JP 29091692A JP H06120522 A JPH06120522 A JP H06120522A
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semiconductor
resistance
image processing
semiconductor device
energy
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Koichi Maezawa
宏一 前澤
Takashi Morie
隆 森江
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Abstract

PURPOSE:To obtain a semiconductor device for image processing, which is formed small its occupation area on a chip and is easily increased its integration scale. CONSTITUTION:A semiconductor device for image processing has resonance tunnel transistors, which control the ratio of a resonance tunnel current, which is made to flow between an N-type ohmic electrode 109 and an N-type ohmic electrode 110, to a non-resonance tunnel current, which is made to flow between the electrodes 109 and 110, by changing the widths of deflection layers by an applying voltage to a control electrode 111, and the device s constituted into a structure wherein a plurality of pieces of these resonance tunnel transistors are coupled with each other in a reticular form.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ニューラルネットワー
クを利用して画像処理を行う画像処理用半導体装置に係
わり、特にアナログLSIの回路構成およびそれに必要
な機能素子の構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image processing semiconductor device for performing image processing using a neural network, and more particularly to a circuit structure of an analog LSI and a structure of functional elements necessary for the circuit structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】画像処理または画像認識技術の前処理と
して位置付けられている初期視覚の問題には、面の補
間,エッジ検出,陰影からの形状復元,速度場推定,色
推定,動きからの構造推定などがある。これらの問題を
最適化問題として定式化し、ニューラルネットワークの
観点から、抵抗ネットワークよりなるアナログ電子回路
により近似的に解く手法が提案されている[参考文献:
C.Mead,Analog VLSI and Neural Systems,Addison-Weis
ley,1989.C.A.Mead and M.A.Mahowald,"A SiliconModel
of Early Visual Processing,"Neural Networks,vol.
1,pp.91-97,1988.J.Hutchinson,C.Koch,J.Luo,and C.Me
ad,"Computing Motion Using Analog and Binary Resis
tive Networks,"IEEE Computer,vol.21,pp.52-63,1988.
など]。
2. Description of the Related Art Initial visual problems, which are positioned as preprocessing for image processing or image recognition technology, include surface interpolation, edge detection, shape restoration from shadows, velocity field estimation, color estimation, and structure from motion. There is an estimation. A method has been proposed in which these problems are formulated as optimization problems and approximately solved by an analog electronic circuit composed of a resistance network from the viewpoint of a neural network [Reference:
C. Mead, Analog VLSI and Neural Systems, Addison-Weis
ley, 1989.CAMead and MA Mahowald, "A Silicon Model
of Early Visual Processing, "Neural Networks, vol.
1, pp.91-97,1988.J.Hutchinson, C.Koch, J.Luo, and C.Me
ad, "Computing Motion Using Analog and Binary Resis
tive Networks, "IEEE Computer, vol.21, pp.52-63,1988.
Such].

【0003】また、画像データの不連続性をモデル化す
る「ライン過程」が提案されている[S.Geman and D.Ge
man, "Stochastic Relaxation,Gibbs Distributions, a
nd the Bayesian Resolution of Images," IEEE Trans.
Pattern Analysis and Machne Intelligence,vol.PAMI
-6,pp.721-741,1984]。さらにこれを「抵抗ヒューズ素
子」により、アナログ電子回路上で実現した技術が提案
されている[J.G.Harris,C.Koch, and J.Luo, "A Two-D
imensional Analog VLSI Circuit for Detecting Disco
ntinuities in Early Vision," Science,vol.248,pp.12
09-1211,1990.]。この回路上では、データ処理は各画
素近傍間で並列的に行われるので、実世界の画像データ
(数100×数100画素)が実時間(数マイクロ秒程
度)で処理できる。
A "line process" for modeling discontinuity of image data has been proposed [S. Geman and D. Ge.
man, "Stochastic Relaxation, Gibbs Distributions, a
nd the Bayesian Resolution of Images, "IEEE Trans.
Pattern Analysis and Machne Intelligence, vol.PAMI
-6, pp.721-741, 1984]. Furthermore, a technology has been proposed that realizes this on an analog electronic circuit with a "resistive fuse element" [JG Harris, C. Koch, and J. Luo, "A Two-D
imensional Analog VLSI Circuit for Detecting Disco
ntinuities in Early Vision, "Science, vol.248, pp.12
09-1211, 1990.]. In this circuit, data processing is performed in parallel in the vicinity of each pixel, so that real-world image data (several hundreds × several hundred pixels) can be processed in real time (about several microseconds).

【0004】以上の内容は、解説論文[曽根原登、「ニ
ューラルネットによる画像情報の処理(第4回)ーアナ
ログVLSIによる視覚チップの実現ー」,画像ラボ:
第3巻第4号PP.76-80(1992)]において解説されてい
る。ここではこの曽根原の解説論文を基にこの抵抗ヒュ
ーズ素子を組み込んだアナログニューラルネットワーク
により、ノイズを含んだ画像データを復元する方法を説
明する。
The above contents are as follows: [Noboru Sonehara, "Processing of image information by neural network (4) -Realization of visual chip by analog VLSI-", Image Lab:
Vol. 3, No. 4, PP.76-80 (1992)]. Here, based on this commentary paper by Sonehara, a method of restoring image data containing noise by an analog neural network incorporating the resistive fuse element will be described.

【0005】この問題は、不連続面以外で面が滑らかで
あるという拘束条件を用いると、下記の数式1に示すよ
うな2次形式のエネルギー関数の最小化によって定式化
される。
This problem is formulated by minimizing a quadratic energy function as shown in the following mathematical expression 1 by using a constraint condition that surfaces other than discontinuous surfaces are smooth.

【0006】[0006]

【数1】 [Equation 1]

【0007】ここで、di は画素iでの観測データ、f
i は同じく画素iでの推定データ、σ2 は推定すべき雑
音の分散、αおよびλは自由パラメータ、hi はライン
過程である。上記(1)式第1項は観測データdi と推
定データfi とが近くなることを要求する。第2項はラ
イン過程hi =0、すなわち不連続がない場合は、隣合
う二つの値が互いに近い値をとることを要求する滑らか
さを表す項である。第3項はライン過程が発火すること
のコスト上昇であり、第2項と第3項とのバランスでラ
イン過程が発火するか否かが決定される。つまり、λは
滑らかさの度合いを表し、αはノイズと元画像の不連続
とを区別する尺度である。
Where d i is the observation data at pixel i, f
i is the estimated data at pixel i, σ 2 is the variance of noise to be estimated, α and λ are free parameters, and h i is a line process. The first term of the above equation (1) requires that the observation data d i and the estimation data f i be close to each other. The second term is a term representing the smoothness which requires that two adjacent values take close values to each other when there is no discontinuity in the line process h i = 0. The third term is an increase in the cost of firing the line process, and whether or not the line process is fired is determined by the balance between the second term and the third term. That is, λ represents the degree of smoothness, and α is a scale that distinguishes noise from discontinuity in the original image.

【0008】上記(1)式は、図6に示した抵抗ネット
ワークの定常電圧分布を調べることで解くことができ
る。ここで、回路網を構成するコンダクタンスg(=1
/2σ2 )を有する抵抗素子rは、図7に示すような非
線形特性を有していなければならない。すなわち両端の
電圧差ΔV=|fi−fi-1|が√(α/λ)以下である
時はコンダクタンスg(m) に当たるλの線形抵抗として
働き(ライン過程hi =0)、そうでない時は接続が切
れる(ライン過程hi =1)となるような素子である。
これを理想的な抵抗ヒューズ素子Rと呼ぶ。
The above equation (1) can be solved by examining the steady-state voltage distribution of the resistance network shown in FIG. Here, the conductance g (= 1
The resistance element r having / 2σ 2 ) must have a non-linear characteristic as shown in FIG. That is, when the voltage difference ΔV = | f i −f i−1 | at both ends is less than √ (α / λ), it acts as a linear resistance of λ corresponding to the conductance g (m) (line process h i = 0). If not, the element is such that the connection is broken (line process h i = 1).
This is called an ideal resistance fuse element R.

【0009】しかしながら、図6および図7に示した抵
抗ネットワーク回路では、一般は初期条件に依存した局
所解(いわゆるローカルミニマム)の状態で安定化し、
必ずしも(1)式に示したエネルギー関数の最小化は達
成できない。そこで、ライン過程をシグモイド型の入出
力関数をもつニューロンに対応させ、シグモイド関数の
ゲインを変化させることにより、平均場近似理論におけ
るアニーリングを行い、準最適解を得る方法が提案され
た[J.J.Hopfield, "Neurons with Graded Response Ha
ve Collective Computational Properties Like Those
of Two-state Neurons," Proc.Natl.Acad.Sci.USA,vol.
81,pp.3088-3092,1984.]。
However, in the resistance network circuit shown in FIGS. 6 and 7, generally, the resistance is stabilized in the state of a local solution (so-called local minimum) depending on the initial condition,
The minimization of the energy function shown in equation (1) cannot always be achieved. Therefore, a method has been proposed in which a line process is made to correspond to a neuron having a sigmoid-type input / output function and the gain of the sigmoid function is changed to perform annealing in the mean-field approximation theory to obtain a suboptimal solution [JJ Hopfield, "Neurons with Graded Response Ha
ve Collective Computational Properties Like Those
of Two-state Neurons, "Proc.Natl.Acad.Sci.USA, vol.
81, pp. 3088-3092, 1984.].

【0010】この場合、ライン過程hi に対応するニュ
ーロンの内部状態変数をmi とすると、下記の数式2と
なる。
In this case, when the internal state variable of the neuron corresponding to the line process h i is m i , the following equation 2 is obtained.

【0011】[0011]

【数2】 [Equation 2]

【0012】ここで、Tは温度パラメータである。ニュ
ーロン状態がアナログ値を取ることから、エネルギー関
数は上記(1)式に下記の数式3を付加したものとな
る。なお、CG は係数である。
Here, T is a temperature parameter. Since the neuron state takes an analog value, the energy function is the above equation (1) to which the following equation 3 is added. Note that C G is a coefficient.

【0013】[0013]

【数3】 [Equation 3]

【0014】ネットワークのダイナミクスは、下記の数
式4で表現される。
The dynamics of the network is expressed by Equation 4 below.

【数4】 [Equation 4]

【0015】内部状態変数mi の変化の安定状態は、下
記の数式5であるから、
Since the stable state of the change of the internal state variables m i is the following Equation 5,

【0016】[0016]

【数5】 [Equation 5]

【0017】下記の数式6となる。The following expression 6 is obtained.

【0018】[0018]

【数6】 [Equation 6]

【0019】そこで、要求される抵抗ヒューズ素子の電
流−電圧(I−ΔV)特性は、下記の数式7となる。
Therefore, the required current-voltage (I-ΔV) characteristic of the resistance fuse element is expressed by the following equation (7).

【0020】[0020]

【数7】 [Equation 7]

【0021】この特性を温度パラメータTの関数として
表したものを図8に示す。アナログ型抵抗ヒューズは、
温度パラメータTが大きいときは通常の線形抵抗の特性
を示し、温度パラメータTが小さくなり0に近づくにつ
れ、図7に示した理想的な抵抗ヒューズ素子の特性に近
くなる。
FIG. 8 shows this characteristic as a function of the temperature parameter T. The analog resistance fuse is
When the temperature parameter T is large, the characteristic of a normal linear resistance is shown, and when the temperature parameter T becomes small and approaches 0, it becomes close to the characteristic of the ideal resistance fuse element shown in FIG.

【0022】上記抵抗ヒューズの実現方法については、
文献[H.Lee and P.Yu, "CMOS Resistive Fuse Circuit
s," in Symposium on VLSI Circuts,pp.109-110,1991]
にアナログCMOS回路で構成した例が報告されてい
る。この報告では、3種類の回路を提案しているが、原
理を示す最も簡単な回路を図9に示す。この回路は、ト
ランジスタM1からトランジスタM5よりなる差動対
と、抵抗として動作するトランジスタM6およびトラン
ジスタM7とから構成される。
Regarding the method of realizing the above resistance fuse,
Reference [H. Lee and P. Yu, "CMOS Resistive Fuse Circuit
s, "in Symposium on VLSI Circuts, pp.109-110, 1991]
An example in which an analog CMOS circuit is used has been reported. Although this report proposes three types of circuits, the simplest circuit showing the principle is shown in FIG. This circuit includes a differential pair including transistors M1 to M5, and transistors M6 and M7 that operate as resistors.

【0023】このような構成において、まず、トランジ
スタM4およびトランジスタM5の飽和電流をI/2よ
り少し大きく設定しておき、バランス状態に近い状態で
は、トランジスタM6およびトランジスタM7は三極管
領域で導通するようにし、線形抵抗として動作させる。
第1のノードN1と第2のノードN2との間の電圧が大
きくなると、差動対のバランスが崩れてトランジスタM
6またはトランジスタM7が非導通となり、ヒューズ抵
抗素子の特性が実現できる。
In such a structure, first, the saturation currents of the transistors M4 and M5 are set to be slightly larger than I / 2, and the transistors M6 and M7 are made conductive in the triode region in a state close to the balanced state. And act as a linear resistor.
When the voltage between the first node N1 and the second node N2 increases, the balance of the differential pair is lost and the transistor M
6 or the transistor M7 becomes non-conductive, and the characteristics of the fuse resistance element can be realized.

【0024】図9の回路では、抵抗値が第1のノードN
1および第2のノードN2の絶対電位に影響されるとい
う欠点があるため、トランジスタM6とトランジスタM
7との間に抵抗値を決定するもう一つのMOSトランジ
スタおよびそれを制御するための3個のトランジスタを
付加した改良型が同じ文献に提案されている。これによ
り、抵抗値および抵抗が切断される電圧差を独立に変化
することができ、図7に示した理想的な抵抗ヒューズに
近い特性を実現することができる。
In the circuit of FIG. 9, the resistance value is the first node N.
The transistor M6 and the transistor M6 have the drawback that they are affected by the absolute potentials of the first and second nodes N2.
An improved type in which another MOS transistor for determining the resistance value between the MOS transistor and the MOS transistor and three transistors for controlling the MOS transistor are added is proposed in the same document. As a result, the resistance value and the voltage difference at which the resistance is cut can be changed independently, and the characteristics close to those of the ideal resistance fuse shown in FIG. 7 can be realized.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したCMOS
回路による抵抗ヒューズの実現方法では、抵抗ヒューズ
特性を得るために7〜11個のトランジスタを組み合わ
せることが必要となるので、チップ上に占める面積も大
きくなり、高集積化が難しいという問題があった。アナ
ログ回路では、大容量DRAMに代表される通常のデジ
タル技術によるサブミクロンプロセス技術の恩恵があま
り受けられないので、具体的には抵抗ヒューズ回路とし
て30〜50ミクロン角程度の面積が必要となる。実際
のチップでは各画素にデータを入出力する回路が必要で
あり、より望ましくは、高速かつ高効率にデータ処理を
行うために光電変換素子(光受容器または発光素子)を
チップ上の各画素に配置して並列的にデータを入力また
は出力することが好ましい。データ収集の効率を上げる
ために光受容器の面積は大きいことが望ましいので、抵
抗ヒューズ素子または回路はできるだけ小さいことが望
ましい。以上のような構成法では、前述した抵抗ヒュー
ズ回路を用いた場合は、100×100画素程度の集積
化が限界と推測され、実世界の画素処理は難しい。
The CMOS described above
In the method of realizing the resistance fuse by the circuit, since it is necessary to combine 7 to 11 transistors in order to obtain the resistance fuse characteristics, there is a problem that the area occupied on the chip becomes large and high integration is difficult. . Since the analog circuit cannot receive the benefit of the submicron process technology based on the ordinary digital technology represented by the large-capacity DRAM, the resistance fuse circuit specifically requires an area of about 30 to 50 microns square. An actual chip needs a circuit for inputting / outputting data to / from each pixel, and more desirably, a photoelectric conversion element (photoreceptor or light emitting element) is provided for each pixel on the chip in order to perform data processing at high speed and with high efficiency. It is preferable that the data are input and output in parallel by arranging them in the same manner. Since it is desirable for the photoreceptor area to be large to increase the efficiency of data collection, it is desirable for the resistive fuse element or circuit to be as small as possible. With the above-mentioned configuration method, when the above-described resistive fuse circuit is used, it is estimated that the integration of about 100 × 100 pixels is the limit, and real-world pixel processing is difficult.

【0026】したがって本発明は、前述したした従来の
課題を解決するためになされたものであり、その目的
は、チップ上の占有面積が小さく、高集積化が容易な画
像処理用半導体装置を提供することにある。
Therefore, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide an image processing semiconductor device which occupies a small area on a chip and can be easily highly integrated. To do.

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、共鳴トンネル効果による負性抵抗特
性を利用する。より具体的には、接合型FET構造によ
り、負性抵抗特性を有するピーク(共鳴トンネル)電流
を制御するとともにこのデバイスに並列的に流れる通常
電流によるオーミック電流をも同時に制御して近似的に
線形抵抗特性から理想的な抵抗ヒューズ特性までを連続
的に得るようにしたものである。
In order to achieve such an object, the present invention utilizes the negative resistance characteristic due to the resonance tunnel effect. More specifically, the junction type FET structure is used to control the peak (resonant tunnel) current having a negative resistance characteristic, and simultaneously control the ohmic current due to the normal current flowing in parallel to this device to be approximately linear. The resistance characteristic to the ideal resistance fuse characteristic are continuously obtained.

【0028】[0028]

【作用】本発明における画像処理用半導体装置は、単一
の制御電圧(接合型FETのゲート電圧)で近似的に線
形抵抗特性から理想的な抵抗ヒューズ特性までを連続的
に発生できる。また、単一デバイスで上記の機能を実現
できるので、チップ上の占有面積を極めて小さく(数平
方ミクロン以下)することができる。
The semiconductor device for image processing according to the present invention can continuously generate an approximately linear resistance characteristic to an ideal resistance fuse characteristic with a single control voltage (gate voltage of the junction type FET). Further, since the above functions can be realized by a single device, the area occupied on the chip can be made extremely small (several square microns or less).

【0029】[0029]

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図1は、本発明による画像処理用半導体装置
の第1の実施例による構成を示す抵抗ヒューズ素子の断
面図である。同図もおいて、101は半絶縁性GaAs
基板、102は2×1018cm-3のSiをドープした厚
さ約3000Åのn+-GaAsバッファー層、103は
例えば5×1017cm-3のSiをドープした厚さ500
Åのn- GaAs層、104は例えば厚さ20Åのアン
ドープAlAsからなる第1のバリア層、105は例え
ば厚さ50ÅのアンドープGaAsからなる量子井戸
層、106は同様に厚さ20ÅのアンドープAlAsか
らなる第2のバリア層、107は例えば5×1017cm
-3のSiをドープした厚さ500Åのn- GaAs層、
108は例えば2×1018cm-3のSiをドープした厚
さ3000Åのn+-GaAsコンタクト層である。
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a resistance fuse element showing a configuration of a first embodiment of an image processing semiconductor device according to the present invention. In the figure, 101 is semi-insulating GaAs.
A substrate 102 is an n + -GaAs buffer layer having a thickness of about 3000 Å doped with Si of 2 × 10 18 cm −3 , and 103 is a thickness of 500 doped with Si of 5 × 10 17 cm −3 , for example.
Å n-GaAs layer, 104 is a first barrier layer made of undoped AlAs having a thickness of 20 Å, 105 is a quantum well layer made of undoped GaAs having a thickness of 50 Å, and 106 is also made of undoped AlAs having a thickness of 20 Å And the second barrier layer 107 is, for example, 5 × 10 17 cm
-3 Si-doped n-GaAs layer 500 Å thick,
Reference numeral 108 denotes, for example, an n + -GaAs contact layer having a thickness of 3000 Å doped with 2 × 10 18 cm -3 of Si.

【0030】結晶成長は、例えば分子線エピタキシー法
で行い、成長後、メサエッチングにより、図示したよう
に二段メサ構造の共鳴トンネルダイオードを形成する。
109および110はそれぞれn-オーミック電極であ
り、これらのn-オーミック電極109,110は、例
えばAuGe/Niの蒸着,リフトオフおよび合金化に
より形成されている。111はNi/Zn/Au/Ti
/Au(例えばそれぞれ50Å/160Å/1000Å
/1000Å/1000Å)を蒸着し、例えば約400
℃で合金化した制御電極であり、112は制御電極11
1から拡散したZnがつくるp+ 領域である。n-オー
ミック電極109,n-オーミック電極110の合金化
および制御電極111の合金化は同時に行うことができ
る。なお、このエミッタの大きさ(長方形の場合、その
短辺の長さ、円形の場合その直径)は、十分小さくし、
制御電極111からの空乏層で電流パスを閉じることが
可能とする。円形の場合、例えば直径を約0.5μmと
すれば良い。また、113は例えばH+ をイオン注入す
ることによって形成された高抵抗層である。この高抵抗
層113は本発明に必須のものではないが、高速化のた
めに不必要な容量をなくすことおよびゲートリーク電流
を生じさせる不必要な接合面積の低減を目的として設け
ている。
Crystal growth is performed by, for example, a molecular beam epitaxy method, and after the growth, a resonance tunnel diode having a two-step mesa structure is formed by mesa etching as shown in the figure.
Reference numerals 109 and 110 denote n-ohmic electrodes, respectively. The n-ohmic electrodes 109 and 110 are formed by vapor deposition, lift-off and alloying of AuGe / Ni, for example. 111 is Ni / Zn / Au / Ti
/ Au (eg 50Å / 160Å / 1000Å respectively
/ 1000Å / 1000Å) is deposited, for example about 400
A control electrode alloyed at ℃, 112 is the control electrode 11
It is a p + region formed by Zn diffused from 1. The n-ohmic electrode 109 and the n-ohmic electrode 110 can be alloyed and the control electrode 111 can be alloyed at the same time. The size of this emitter (the length of its short side in the case of a rectangle, its diameter in the case of a circle) is made sufficiently small,
The depletion layer from the control electrode 111 can close the current path. In the case of a circular shape, for example, the diameter may be about 0.5 μm. Reference numeral 113 is a high resistance layer formed by ion implantation of H +, for example. Although the high resistance layer 113 is not essential to the present invention, it is provided for the purpose of eliminating unnecessary capacitance for speeding up and reducing an unnecessary junction area which causes a gate leak current.

【0031】このような構造において、AlAsバリア
層104,GaAs量子井戸層105,AlAsバリア
層106は、良く知られた共鳴トンネルダイオードを形
成している。このダイオードは、エネルギーが共鳴準位
と一致した電子だけ流れるため、図2に示すような負性
抵抗を持った電流−電圧(I−V)特性を示す。この構
造で制御電極111に電圧を印加すれば、その正負に応
じてpn接合の空乏層の大きさが変化する。これにした
がってダイオードの面積が変化し、電流が変化すること
になる。
In such a structure, the AlAs barrier layer 104, the GaAs quantum well layer 105, and the AlAs barrier layer 106 form a well-known resonant tunnel diode. This diode has a current-voltage (IV) characteristic having a negative resistance as shown in FIG. 2 because only electrons whose energy matches the resonance level flow. When a voltage is applied to the control electrode 111 with this structure, the size of the depletion layer of the pn junction changes depending on whether the voltage is positive or negative. According to this, the area of the diode changes, and the current changes.

【0032】このように構成された素子の電流−電圧特
性を制御電圧の関数として図3に示す。なお、同図では
第1象限のみを示し、V<0のときは原点に対して対称
となっている。同図に示すように制御電圧を変化させる
と、I−V特性全体が比例して変化する領域1だけでな
く、バレー部分の電流変化が大きな領域2が得られる。
この領域2は、(a)制御電極近傍でのバンドベンディ
ングによる共鳴エネルギーの変化と、(b)Znの拡散
による共鳴トンネル構造の破壊による。上記(a)は、
エミッタメサに伴い、エミッタ電極と制御電極との間で
共鳴エネルギーの面内方向の変化が生じ、共鳴点をぼけ
させることを意味する。また、上記(b)については、
次のように理解される。良く知られているようにZnの
拡散は、AlAs/GaAs系の超格子を破壊する(混
晶化)。p領域112は、合金化の際のZnの拡散によ
って作られるため、この部分のAlAs/GaAs/A
lAs共鳴トンネル構造は破壊(混晶化)される。した
がって空乏層幅を小さくして電流量を大きくすると、こ
の混晶化領域を通る非共鳴電流が増大し、バレー部分の
電流(バレー電流)が増大することになる。これらの効
果によってこの素子のI−V特性は図3に示すように制
御電圧によってオーミック的な特性から強い負性抵抗特
性に変化させることができる。また、電流が変化する領
域1においては、制御電圧によって原点付近の抵抗を自
由に調整することが可能である。したがって領域2にお
いて制御電圧を正から負の方向に動かすことによって従
来技術で説明したパラメータTを制御しつつ、エネルギ
ー最小状態を実現し、その後、領域1においてコンダク
タンスに当たるλを調整することが可能である。これら
の特性により、本素子は画像処理用装置の抵抗ヒューズ
素子として用いることができる。したがってこの素子を
従来技術で説明したように網目状に接続することにより
画像処理用半導体装置を形成することができる。本装置
は、従来7〜11個のトランジスタを要した抵抗ヒュー
ズ素子と同様な機能を1つの素子で実現するため、各画
素の占有面積を極めて小さくでき、セルの高集積化が可
能となる。
The current-voltage characteristics of the element thus constructed are shown in FIG. 3 as a function of the control voltage. In the figure, only the first quadrant is shown, and when V <0, it is symmetrical with respect to the origin. When the control voltage is changed as shown in the figure, not only the region 1 in which the entire IV characteristic changes in proportion but also the region 2 in which the current change in the valley portion is large can be obtained.
This region 2 is due to (a) a change in resonance energy due to band bending near the control electrode and (b) destruction of the resonance tunnel structure due to diffusion of Zn. The above (a) is
With the emitter mesa, it means that the resonance energy changes in the in-plane direction between the emitter electrode and the control electrode to blur the resonance point. Regarding (b) above,
It is understood as follows. As is well known, Zn diffusion destroys the AlAs / GaAs superlattice (mixing). Since the p region 112 is formed by Zn diffusion during alloying, AlAs / GaAs / A in this portion is formed.
The lAs resonance tunnel structure is destroyed (mixed crystal). Therefore, when the width of the depletion layer is reduced and the amount of current is increased, the non-resonant current passing through this mixed crystal region increases and the current in the valley portion (valley current) increases. Due to these effects, the IV characteristic of this element can be changed from the ohmic characteristic to the strong negative resistance characteristic by the control voltage as shown in FIG. Further, in the area 1 where the current changes, the resistance near the origin can be freely adjusted by the control voltage. Therefore, it is possible to realize the minimum energy state while controlling the parameter T described in the related art by moving the control voltage in the region 2 from the positive direction to the negative direction, and then adjust λ corresponding to the conductance in the region 1. is there. Due to these characteristics, this element can be used as a resistance fuse element of an image processing apparatus. Therefore, an image processing semiconductor device can be formed by connecting the elements in a mesh shape as described in the prior art. Since this device realizes the same function as that of the resistance fuse element which has conventionally required 7 to 11 transistors by one element, the area occupied by each pixel can be made extremely small, and high integration of cells can be realized.

【0033】さて、ヒューズの切れる電圧Vth=(α/
λ)1/2 は、本素子ではコントロールできないが、これ
は、受光素子の感度を制御することによって等価的に行
うことができる。また、この素子では、I−V特性は両
端のノードの絶対電位(信号電圧)に影響される。しか
し、制御電圧0V付近で領域2のオーミック的特性が得
られ、かつエネルギー関数の最小化が得られる制御電圧
の値を例えば約−10V付近になるように素子の大きさ
を設定しておけば、信号電圧(0〜1.0V程度)によ
る影響を十分小さくすることが可能である。
Now, the voltage at which the fuse blows V th = (α /
Although λ) 1/2 cannot be controlled by this element, this can be equivalently performed by controlling the sensitivity of the light receiving element. Further, in this element, the IV characteristic is affected by the absolute potential (signal voltage) of the nodes at both ends. However, if the ohmic characteristics of the region 2 are obtained in the vicinity of the control voltage 0V, and the size of the element is set so that the value of the control voltage in which the energy function is minimized is, for example, about -10V. , It is possible to sufficiently reduce the influence of the signal voltage (about 0 to 1.0 V).

【0034】本発明の第2の実施例としては、共鳴トン
ネル構造の井戸層に、より伝導帯エネルギーの低い材料
を用いるものが挙げられる。例えば第1の実施例におい
て、アンドープGaAs量子井戸層105をInxGa
1-xAs混晶層で置き換えたものである。この構造でI
nAs組成xを変えることにより、井戸中の量子準位の
エネルギーを調整することができる。例えばx=0.2
とすることにより、量子準位のエネルギーは約150m
eV低くなる。
In a second embodiment of the present invention, a material having a lower conduction band energy is used for the well layer of the resonance tunnel structure. For example, in the first embodiment, the undoped GaAs quantum well layer 105 is replaced with In x Ga.
It is replaced with a 1-x As mixed crystal layer. I in this structure
The energy of the quantum level in the well can be adjusted by changing the nAs composition x. For example, x = 0.2
And the energy of the quantum level is about 150m
eV lower.

【0035】さて、第1の実施例においては、原点付近
の微分抵抗が大きく(図3)、理想的なヒューズ特性
(図8)と異なっている。この部分は量子準位のエネル
ギーが高すぎ、共鳴トンネル電流が流れ出すまでにある
程度の電圧をかけなければならないために生じる。した
がって量子準位のエネルギーを下げることによりこの部
分を取り除くことができ、理想的な抵抗ヒューズ特性
(図8)に近づけることができる。
In the first embodiment, the differential resistance near the origin is large (FIG. 3), which is different from the ideal fuse characteristic (FIG. 8). This portion occurs because the energy of the quantum level is too high and a certain voltage must be applied before the resonant tunneling current begins to flow. Therefore, by lowering the energy of the quantum level, this portion can be removed, and the ideal resistance fuse characteristic (FIG. 8) can be approximated.

【0036】図4は、本発明による画像処理用半導体装
置の第3の実施例による構成を示す抵抗ヒューズ素子の
断面図であり、前述の図と同一部分には同一符号を付し
てある。同図において、114は例えばTi/Auから
なるショットキー電極である。この実施例は、第1の実
施例において、pn接合によって行われていた空乏層幅
の制御をショットキー接合によって行うようにしたもの
である。この場合も、空乏層幅を制御することにより、
電流量を制御できる。ただし、第1の実施例の説明
(b)で述べたZnの拡散による共鳴トンネル構造の破
壊は起こらず、この効果は生じないことになる。
FIG. 4 is a sectional view of a resistance fuse element showing a structure of a third embodiment of an image processing semiconductor device according to the present invention, and the same parts as those in the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals. In the figure, reference numeral 114 is a Schottky electrode made of, for example, Ti / Au. In this embodiment, the control of the depletion layer width, which was performed by the pn junction in the first embodiment, is performed by the Schottky junction. Also in this case, by controlling the width of the depletion layer,
The amount of current can be controlled. However, the resonance tunnel structure is not destroyed by the diffusion of Zn described in the explanation (b) of the first embodiment, and this effect does not occur.

【0037】図5は、本発明による画像処理用半導体装
置の第4の実施例による構成を示す断面図であり、前述
の図と同一部分には同一符号を付してある。同図におい
て、102′はp- GaAsバッファ層、110′はA
uZn/Ni/Ti/Au電極である。この第4の実施
例としては、前述した第1〜第3の実施例による抵抗ヒ
ューズ素子と整流性のダイオードとを直列接続したもの
を逆向きに並列接続し、抵抗ヒューズ素子として用いた
ものである。第1の実施例〜第3の実施例で説明した抵
抗ヒューズ素子は完全に正負対称な電流−電圧特性を得
ることが難しいが、このようにして使用することによ
り、対称な電流−電圧特性が得られる。このとき、整流
性ダイオードとしてpn接合ダイオードを用い、図示す
るようにこれを結晶層構造として作り込めば、素子数増
加によるセル面積増大を最小限に抑えることができる。
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a fourth embodiment of the semiconductor device for image processing according to the present invention, and the same parts as those in the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals. In the figure, 102 'is a p-GaAs buffer layer and 110' is A.
uZn / Ni / Ti / Au electrode. In the fourth embodiment, the resistance fuse element according to the first to third embodiments and the rectifying diode connected in series are connected in parallel in the opposite direction and used as the resistance fuse element. is there. It is difficult for the resistive fuse elements described in the first to third embodiments to obtain a completely positive / negative symmetrical current-voltage characteristic, but by using in this way, a symmetrical current-voltage characteristic is obtained. can get. At this time, if a pn junction diode is used as the rectifying diode and is formed as a crystal layer structure as shown in the figure, an increase in cell area due to an increase in the number of elements can be suppressed to a minimum.

【0038】なお、前述した実施例においては、共鳴ト
ンネル構造としてGaAs/AlAs系を用いた場合に
ついて説明したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、他の材料を用いて実現することもできる。例えば
InP基板に格子マッチするIn0.53Ga0.47AsやI
0.52Al0.48Asを用いれば、より大きなp/v(ピ
ーク/バレー)比が得られ、その効果が大きい。ここで
バリア層にスードモルヒック(pseudomorphic )なAl
As層を用いても良い。いずれにせよ共鳴トンネル構造
が実現できれば良い。また、ドーパントのバリアへの拡
散を防ぐため、共鳴トンネル構造の上下をアンドープの
スペーサー層で挟むなどの共鳴トンネル構造のバリエー
ションも本発明に含まれる。
Although the GaAs / AlAs system is used as the resonant tunneling structure in the above-mentioned embodiments, the present invention is not limited to this and can be realized by using other materials. You can also For example, In 0.53 Ga 0.47 As or I that lattice-matches the InP substrate
If n 0.52 Al 0.48 As is used, a larger p / v (peak / valley) ratio can be obtained, and the effect is large. Here, pseudomorphic Al is used for the barrier layer.
You may use an As layer. In any case, it is sufficient if a resonant tunnel structure can be realized. Further, in order to prevent the diffusion of the dopant into the barrier, variations of the resonance tunnel structure, such as sandwiching the upper and lower sides of the resonance tunnel structure with undoped spacer layers, are also included in the present invention.

【0039】また、抵抗ネットワークの入力素子として
は、MSMダイオード,PINダイオードやフォトトラ
ンジスタなどの受光素子を用いることができる。すなわ
ち図6における観測データdi に相当する電源を受光素
子と電流−電圧変換素子(抵抗,トランジスタまたはダ
イオードなど)との組み合わせで構成する。また、出力
(すなわち図6における抵抗ネットワークの推定データ
i に相当する電位の読み出し)としてレーザダイオー
ドなどの発光素子を集積化すれば、入力,演算,出力の
全てが並列に実行され、高速な動作,入出力が可能であ
る。
As the input element of the resistance network, a light receiving element such as MSM diode, PIN diode or phototransistor can be used. That is, the power source corresponding to the observation data d i in FIG. 6 is configured by a combination of a light receiving element and a current-voltage conversion element (resistor, transistor, diode, etc.). Further, if a light emitting element such as a laser diode is integrated as an output (that is, the reading of the potential corresponding to the estimated data f i of the resistance network in FIG. 6), all the input, calculation, and output are executed in parallel, and high speed operation is achieved. Operation and input / output are possible.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
極めて高集積かつ高性能なネットワークを構成できるの
で、実世界の画像を実時間で直接処理できる処理系(光
電変換素子による入出力系も組み込んだニューラルネッ
トワーク回路)を1チップ上に構築することができるな
どの極めて優れた効果が得られる。
As described above, according to the present invention,
Since an extremely highly integrated and high-performance network can be configured, it is possible to build a processing system (a neural network circuit that also incorporates an input / output system using photoelectric conversion elements) that can directly process real-world images on a single chip. It is possible to obtain an extremely excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による画像処理用半導体装置の第1の実
施例による構成を示す抵抗ヒューズ素子の断面図であ
る。
FIG. 1 is a sectional view of a resistive fuse element showing a configuration of a first embodiment of an image processing semiconductor device according to the present invention.

【図2】共鳴トンネルダイオードの電流−電圧特性を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing current-voltage characteristics of a resonant tunnel diode.

【図3】本発明に係わる抵抗ヒューズ素子の電流−電圧
特性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing current-voltage characteristics of the resistance fuse element according to the present invention.

【図4】本発明による画像処理用半導体装置の第3の実
施例による構成を示す抵抗ヒューズ素子の断面図であ
る。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a resistive fuse element showing a configuration of a third embodiment of an image processing semiconductor device according to the present invention.

【図5】本発明による画像処理用半導体装置の第4の実
施例による構成を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of a fourth embodiment of the image processing semiconductor device according to the present invention.

【図6】不連続部分を保持しながら画像のノイズ除去を
行うニューラルネットワーク回路を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a neural network circuit that removes noise from an image while holding discontinuous portions.

【図7】ライン過程を実行する理想的な抵抗ヒューズ素
子の電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics of an ideal resistive fuse element that executes a line process.

【図8】平均場近似理論に基づいてライン過程を実行す
るアナログ型抵抗ヒューズ素子の電流−電圧特性を示す
図である。
FIG. 8 is a diagram showing current-voltage characteristics of an analog resistance fuse element that executes a line process based on a mean field approximation theory.

【図9】従来のアナログCMOS技術を利用した抵抗ヒ
ューズ回路を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a resistance fuse circuit using conventional analog CMOS technology.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 半絶縁性GaAs基板 102 n+-GaAsバッファー層 102′ p-GaAsバッファー層 103 n- GaAs層 104 第1のAlAsバリア層 105 GaAs量子井戸層 106 第2のAlAsバリア層 107 n- GaAs層 108 n+-GaAsコンタクト層 109 n-オーミック電極 110 n-オーミック電極 110′ AuZn/Ni/Ti/Au電極 111 制御電極 112 p+ 領域 113 高抵抗層 114 ショットキー電極101 semi-insulating GaAs substrate 102 n + -GaAs buffer layer 102 'p-GaAs buffer layer 103 n- GaAs layer 104 first AlAs barrier layer 105 GaAs quantum well layer 106 second AlAs barrier layer 107 n- GaAs layer 108 n + -GaAs contact layer 109 n-ohmic electrode 110 n-ohmic electrode 110 'AuZn / Ni / Ti / Au electrode 111 control electrode 112 p + region 113 high resistance layer 114 Schottky electrode

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の端子と第2の端子との間に流れる
ピーク電流とバレー電流との割合を、第3の端子への印
加電圧により空乏層幅を変化させることにより制御する
共鳴トンネルトランジスタを有し、前記共鳴トンネルト
ランジスタを網目状に複数個連結して構成したこを特徴
とする画像処理用半導体装置。
1. A resonance tunnel for controlling a ratio of a peak current and a valley current flowing between a first terminal and a second terminal by changing a depletion layer width by a voltage applied to a third terminal. An image processing semiconductor device comprising a transistor, comprising a plurality of the resonant tunnel transistors connected in a mesh.
【請求項2】 第1の半導体よりなるn型の半導体層
と、 前記第1の半導体の伝導帯よりエネルギー的に高い伝導
帯を持つ第2の半導体よりなる第1のバリア層と、 前記第2の半導体の伝導帯よりエネルギー的に低い伝導
帯を持つ第3の半導体よりなる井戸層と、 前記第1の半導体,第3の半導体の伝導帯よりエネルギ
ー的に高い伝導帯をもつ第4の半導体よりなる第2のバ
リア層と、 前記第2の半導体,第4の半導体の伝導帯よりエネルギ
ー的に低い伝導帯を持つ第5の半導体よりなるn型の半
導体層とを持つ共鳴トンネル構造と、 前記共鳴トンネル構造に空乏層を伸ばし得るショットキ
ーまたはpn接合による制御電極を備えた素子と、 前記素子を網目状に複数個連結した回路と、 を含むことを特徴とする画像処理用半導体装置。
2. An n-type semiconductor layer made of a first semiconductor; a first barrier layer made of a second semiconductor having a conduction band higher in energy than a conduction band of the first semiconductor; A well layer made of a third semiconductor having a conduction band lower in energy than the conduction band of the second semiconductor; and a fourth well having a conduction band higher in energy than the conduction bands of the first semiconductor and the third semiconductor. A resonant tunneling structure having a second barrier layer made of a semiconductor and an n-type semiconductor layer made of a fifth semiconductor having a conduction band lower in energy than the conduction bands of the second semiconductor and the fourth semiconductor. A semiconductor device for image processing, comprising: an element including a control electrode having a Schottky or pn junction capable of extending a depletion layer in the resonant tunneling structure; and a circuit in which a plurality of the elements are connected in a mesh shape. .
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JP2017130221A (en) * 2015-10-23 2017-07-27 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device and electronic device

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