JPH0765092A - 神経回路網用素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 神経回路網理論におけるバックプロパゲ−シ
ョンモデルに適応可能で、且つ高集積化が可能な高速・
小型の神経回網用素子を提供する。 【構成】 素子は半導体部と超伝導体部からなる。半導
体部は、超伝導体部へ流入する電流を制御するための電
圧を印加するショットキーゲート電極１と下部に高移動
度の二次元電子ガス層を有するシナプス領域２と、ショ
ットキーゲート電極１に印加される電圧によって抵抗値
が変化する擬一次元チャンネル領域３と、擬一次元チャ
ンネル領域３からの電流を超伝導体部６へ流入させる電
流結合領域４と、外部からの入力をシナプス領域２に印
加するシナプス電極５とから構成されるユニットが超伝
導体部６の周囲に略円環状に複数個配置されてなる。超
伝導体部６の入力側は電流結合領域４に高濃度ドープ領
域を介して結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、神経回路網用素子に関
し、詳細にはニューロコンピュータの神経回路網を構成
する一単位である神経回路網用素子に関する。

【０００２】近年、コンピュータ技術の進歩に伴い、高
速化のための並列処理が可能になるというメリットを有
する非ノイマン型コンピュータとしてニューロコンピュ
ータが注目されている。このニューロコンピュータをハ
ード的に実現する方法として神経回路網を使用してコン
ピュータを構成する方法がある。神経回路網は人間の脳
を真似たネットワークであり、脳のニューロンに対応す
る複数の神経回路網素子が複雑に接合されて構築されて
いる。したがって、回路網全体として高速化、小型化を
図るためには、その構成要素である神経回路網素子を高
速化し、さらに高集積化により小型化することが必要で
ある。

【０００３】

【従来の技術】神経回路網を表現する代表的モデルとし
て、バックプロパゲーションモデルがある。このモデル
によると、神経回路網を構成する神経回路網用素子は、
その要件として次の２点を具備していなければならな
い。

【０００４】１）多数入力に対して個別に重み付けを施
し、重み付けした結果に基づいて少なくとも一つの出力
が得られる。 ２）入力の総和があるしきい値を越えると出力が得られ
る。

【０００５】以上の要件を満たすための素子として、従
来においては、主としてＣＭＯＳＬＳＩを活用したＶＬ
ＳＩニューロチップや、光技術を応用した光神経回路素
子がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、従来技術の
ＣＭＯＳ構造を持つ半導体素子では、その構造上、キャ
リアの移動度や小型化に限界が生じており、また１個の
神経回路素子を構成するためには複数個のＬＳＩが必要
となる。したがって、集積化及び小型化の点で限界があ
った。

【０００７】また、光神経回路素子の場合には、回路中
に光路を形成する必要があるため、小型化に問題が生じ
ている。本発明の目的は、バックプロパゲーションモデ
ルに適応可能で、且つ高集積化が可能な、高速・小型の
神経回路網用素子を提供することにある。

【０００８】

【問題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明は、例えば図１に示すように、ショットキ
ーゲート電極１とシプナス領域２と、擬一次元チャンネ
ル領域３と電流結合領域４と、シプナス電極５とからな
り、多数入力に個別に重みを付け、その総和を超伝導体
部に流入させる半導体部と、流入した入力の総和が一定
のしきい値を越えた時に一定の出力を得る超伝導体部６
と、を備えて構成する。

【０００９】

【作用】本発明の作用を図１を用いて説明する。外部か
らの入力は、シナプス電極５に印加される。シナプス電
極５は、電子が平面状にのみ高移動度で移動可能な二次
元電子ガス層をその下部に有するシナプス領域２上に形
成されており、シナプス電極５に印加された電圧はその
ままシナプス領域２下にある二次元電子ガス層に印加さ
れる。その後、擬一次元チャンネル領域３の抵抗値に応
じた電流となって二次元電子ガス層中を擬一次元チャン
ネル領域３へ流入する。

【００１０】ここで、ショットキーゲート電極１には、
予め擬一次元チャンネル領域３を通過して電流結合領域
４へ流入する電流を制御するために一定の電圧が印加さ
れている。この電圧によりショットキーゲート電極１下
の二次元電子ガス層が空乏層化し、二次元電子ガス層中
の電子の移動が抑制される。このことにより擬一次元チ
ャンネル領域３の電気的抵抗値が変化し、擬一次元チャ
ンネル領域３に流入する電流が制御される。以上の作用
により外部からの入力に対して重み付けが施される。

【００１１】次に、擬一次元チャンネル領域３を通過し
た電流は、電流結合領域４に流入する。電流結合領域４
において、他の擬一次元チャンネル領域を通過した電流
と合成され、当初超伝導状態となっている超伝導体部６
に印加される。ここで流入してきた電流の総和が超伝導
体部６の構成物質の種類によって決定されるある値（以
下、しきい値という。）を越えると超伝導現象が消滅
し、超伝導体部６の構成物質の種類によって決定される
電圧が出力として超伝導体部６の半導体部に結合されて
いない方の端部に発生する。以上の作用により、流入し
た入力の総和が一定のしきい値を越えた時に一定の出力
を得る機能が実現される。

【００１２】

【実施例】次に、図面を参照して本発明の好適な実施例
を説明する。図２にシナプス電極が５個の場合の実施例
の平面図を示す。

【００１３】図２において、超伝導体部へ流入する電流
を制御するための電圧を印加するショットキーゲート電
極１２０、１２２、１２４、１２６、１２８は、超伝導
体部１３２の周囲に略円環状に一定間隔で配置されてい
る。このショットキーゲート電極の間隙の部分が擬一次
元チャンネル領域１１０、１１２、１１４、１１６、１
１８となり、擬一次元チャンネル領域１１０、１１２、
１１４、１１６、１１８の外側がシナプス領域１０１、
１０３、１０５、１０７、１０９であり、擬一次元チャ
ンネル領域１１０、１１２、１１４、１１６、１１８の
内側が電流結合領域１３４となる。

【００１４】また、シナプス電極１００、１０２、１０
４、１０６、１０８はそれぞれのシナプス領域１０１、
１０３、１０５、１０７、１０９に一つずつ配置されて
いる。

【００１５】また、電子が平面状にのみ高移動度で移動
可能な二次元電子ガス層が、擬一次元チャンネル領域１
１０、１１２、１１４、１１６、１１８、シナプス領域
１０１、１０３、１０５、１０７、１０９、電流結合領
域１３４及び超伝導体部１３２の下部に連続的に形成さ
れている。

【００１６】次に、図２におけるＸ１−Ｘ２線断面図を
図３を用いて説明する。図３においては、半絶縁性−Ｇ
ａＡｓを材質とする基板６０、アンドープト−ＧａＡｓ
を材質とするチャネル層６２、アンドープト−ＡｌＧａ
Ａｓを材質とするスペーサ層６４及びＮ型−ＡｌＧａＡ
ｓを材質とする電子供給層６６が積層されている。さら
に、電子供給層６６上にショットキーゲート電極１２
２、１２６及びｎ⁺ 型−ＧａＡｓを材質とするコンタク
ト層６８が形成され、コンタクト層６８上にはシナプス
電極１００、１０６及び超伝導体部１３２が形成されて
おり、最上部に絶縁層１４０とリード１３０が形成され
ている。

【００１７】また、超伝導体部１３２はＮｂ層１６０、
Ａｌ層１６１、ＡｌＯ_X 層１６２、Ｎｂ層１６３が積層
され、Ｎｂ層１６３はリード１３０に接続されている。
二次元電子ガス層７０は、ショットキーゲート電極１２
２、１２６に電圧が印加されている時に、その下部を除
いた部分に平面的に分布している。

【００１８】超伝導体部１３２の下部は高濃度にドーピ
ングされた領域１６４であり、二次元電子ガス層７０と
超伝導体部１３２がオーミック接合されている。さら
に、シナプス電極１００、１０６の下部は合金化され、
シナプス電極１００、１０６と二次元電子ガス層７０が
オーミック接合されている。

【００１９】次に動作を説明する。ここでは説明を簡略
化するために、シナプス電極１００、シナプス領域１０
１、擬一次元チャンネル領域１１０、ショットキーゲー
ト電極１２０、１２２及び電流結合領域１３４からなる
ユニットについて説明する。

【００２０】外部からの入力は、シナプス電極１００を
介してシナプス領域１０１の下部にある二次元電子ガス
層７０に印加される。その後、擬一次元チャンネル領域
１１０の抵抗値に応じた電流となって擬一次元チャンネ
ル領域１１０へ流入する。ここで、ショットキーゲート
電極１２０、１２２には、予め擬一次元チャンネル領域
１１０を通過して電流結合領域１３４へ流入する電流を
制御するために一定の電圧が印加されている。この電圧
に応じてショットキーゲート電極１２０、１２２下の二
次元電子ガス層７０が空乏層化し、二次元電子ガス層７
０中の電子の移動が抑制される。このことにより擬一次
元チャンネル領域１１０の電気的抵抗値が変化し、擬一
次元チャンネル領域１１０に流入する電流が制御され
る。以上の作用により、外部からの入力に対してショッ
トキーゲート電極に印加する電圧に従った重み付けが施
される。

【００２１】以上の動作については、シナプス電極１０
２、シナプス領域１０３、擬一次元チャンネル領域１１
２、ショットキーゲート電極１２２、１２４及び電流結
合領域１３４からなるユニット、シナプス電極１０４、
シナプス領域１０５、擬一次元チャンネル領域１１４、
ショットキーゲート電極１２４、１２６及び電流結合領
域１３４からなるユニット、シナプス電極１０６、シナ
プス領域１０７、擬一次元チャンネル領域１１６、ショ
ットキーゲート電極１２６、１２８及び電流結合領域１
３４からなるユニット、シナプス電極１０８、シナプス
領域１０９、擬一次元チャンネル領域１１８、ショット
キーゲート電極１２８、１２０及び電流結合領域１３４
からなるユニットのそれぞれのユニットにおいて同様で
ある。

【００２２】次に、擬一次元チャンネル領域１１０、１
１２、１１４、１１６、１１８を通過した電流は、電流
結合領域１３４に流入する。それぞれの擬一次元チャン
ネル領域から流入した電流は電流結合領域１３４で合成
され、超伝導体部１３２の下部に集中する。超伝導体部
１３２は当初超伝導状態であり、リード１３０には電圧
は生じていない。ここで、超伝導体部１３２に集中した
電流の総和がしきい値（超伝導体部１３２の臨界電流に
等しい。）を越えると超伝導現象が消滅し、リード１３
０に電圧（超伝導体部１３２の臨界電圧）が生じる。以
上の作用により、流入した入力の総和が一定のしきい値
を越えた時に一定の出力を得る機能が実現される。

【００２３】図４に、ショットキーゲート電極１２０、
１２２、１２４、１２６、１２８に一定電圧を印加した
場合のシナプス電極１００、１０２、１０４、１０６、
１０８の電圧と出力電圧の関係の一例を示す。

【００２４】図４（ａ）はリード１３０における出力電
圧が０ｍＶの状態を示している。すなわち、ショットキ
ーゲート電極１２０、１２２、１２４、１２６、１２８
に印加された電圧によって各擬一次元チャンネル領域の
電気的抵抗値が変化し、これによってシナプス電極１０
０、１０２、１０４、１０６、１０８から各擬一次元チ
ャンネル領域に流入する電流が制御され、重み付けされ
る。その後重み付けされた電流は、各擬一次元チャンネ
ル領域を通過して電流結合領域１３４に集中するが、そ
の電流の総和がしきい値を越えていないため、超伝導体
部１３２の超伝導状態が維持されリード１３０には電圧
が生じていない。

【００２５】図４（ｂ）はリード１３０に出力電圧が生
じている状態を示している。すなわち、ショットキーゲ
ート電極１２０、１２２、１２４、１２６、１２８に印
加された電圧によって各擬一次元チャンネル領域の電気
的抵抗値が変化し、これによってシナプス電極１００、
１０２、１０４、１０６、１０８から各擬一次元チャン
ネル領域に流入する電流が制御され、重み付けされる。
その後重み付けされた電流が、各擬一次元チャンネル領
域を通過して電流結合領域１３４に集中し、その電流の
総和がしきい値を越えているため、超伝導体部１３２の
超伝導状態が消滅し、リード１３０に電圧が生じてい
る。

【００２６】以上の作用により、神経回路素子として必
要な機能、すなわち、多数の個別に重み付けされた入力
に対して少なくとも一つの出力を有し、当該重み付けさ
れた入力の総和が、あるしきい値を越えた時にその出力
が得られるという機能が備わっていることがわかる。

【００２７】本実施例によれば、一つの素子で神経回路
素子としてのすべての機能が実現可能であるため、神経
回路網の高集積化及び小型化が可能となり、且つ高電子
移動度の二次元電子ガス層を用いているため高速化が可
能となる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、高集積化が可能な半導
体素子を用いて、一つの素子で神経回路網用素子として
のすべての機能が実現可能であるため、神経回路網の高
集積化及び小型化が可能である。さらに、高電子移動度
の二次元電子ガス層を用いているため、高速の神経回路
網用素子が実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す模式図である。

【図２】本発明の実施例を示す平面図である。

【図３】図２におけるＸ１−Ｘ２断面を示す図である。

【図４】本発明の実施例の動作状況を示す図である。

【符号の説明】

１…ショットキーゲート電極 ２…シナプス領域 ３…擬一次元チャンネル領域 ４…電流結合領域 ５…シナプス電極 ６…超伝導体部 ６０…半絶縁性−ＧａＡｓ基板 ６２…アンドープト−ＧａＡｓチャネル層 ６４…アンドープト−ＡｌＧａＡｓスペーサ層 ６６…Ｎ型−ＡｌＧａＡｓ電子供給層 ６８…ｎ⁺ 型−ＧａＡｓコンタクト層 ７０…二次元電子ガス層 １００、１０２、１０４、１０６、１０８…シナプス電
極 １０１、１０３、１０５、１０７、１０９…シナプス領
域 １１０、１１２、１１４、１１６、１１８…擬一次元チ
ャンネル領域 １２０、１２２、１２４、１２６、１２８…ショットキ
ーゲート電極 １３０…リード １３２…超伝導体部 １３４…電流結合領域 １４０…絶縁層 １６０…Ｎｂ層 １６１…Ａｌ層 １６２…ＡｌＯ_X 層 １６３…Ｎｂ層 １６４…高濃度ドープ領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の個別に重み付けされた入力に対し
   て少なくとも一つの出力を有し、当該重み付けされた入
   力の総和が、あるしきい値を越えた時にその出力が得ら
   れる神経回路網用素子において、 多数入力に個別に重みを付け、その総和を超伝導体部に
   流入させる半導体部（１、２、３、４、５）と、 流入した入力の総和が一定のしきい値を越えた時に一定
   の出力を得る超伝導体部（６）と、 を備えることを特徴とする神経回路網用素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体部（１、２、
   ３、４、５）は、超伝導体部へ流入する電流を制御する
   ための電圧を印加するショットキーゲート電極（１）
   と、下部に高電子移動度の二次元電子ガス層を有するシ
   ナプス領域（２）と、下部に前記二次元電子ガス層を有
   し、ショットキーゲート電極（１）に印加される電圧に
   よって抵抗値が変化する擬一次元チャンネル領域（３）
   と、下部に前記二次元電子ガス層を有し、擬一次元チャ
   ンネル領域（３）からの電流を超伝導体部（６）へ流入
   させる電流結合領域（４）と、外部からの入力をシナプ
   ス領域（２）に印加するシナプス電極（５）とから構成
   されるユニットが、下部に前記二次元電子ガス層を有す
   る超伝導体部（６）の周囲に略円環状に複数個配置され
   てなることを特徴とする神経回路網用素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の超伝導体部
   （６）の入力側は電流結合領域（４）に高濃度ドープ領
   域を介して結合されていることを特徴とする神経回路網
   用素子。