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JPH0770731B2 - 電気可塑性素子 - Google Patents

電気可塑性素子

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JPH0770731B2
JPH0770731B2 JP2318733A JP31873390A JPH0770731B2 JP H0770731 B2 JPH0770731 B2 JP H0770731B2 JP 2318733 A JP2318733 A JP 2318733A JP 31873390 A JP31873390 A JP 31873390A JP H0770731 B2 JPH0770731 B2 JP H0770731B2
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dopant
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silicon semiconductor
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良雄 岸本
正明 鈴木
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
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    • G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D62/402—Amorphous materials
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  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ニューラルネットワークによる情報処理に用
いる新規な可塑性を持つ半導体素子に関する。ここで可
塑性素子とは、入力のエネルギー（大きさや時間的変
化）により非線形な電気（導電性、容量）特性を示す素
子をいう。
［従来の技術］ 従来、ニューラルネットワークによる情報処理は、生物
の脳の中で行われている優れた情報処理であるにもかか
わらず、シナプスと同じ働きをする優れた電子素子がな
く、未来の情報処理の大きな課題となっていた。
また、従来すでに提案されているニューロチップは、半
導体デバイスと光デバイスに大きくわけられる。半導体
デバイスによるニューロチップの方が実現性は高いが、
可塑性機能を有する電子デバイスとして適切な特性のも
のがなく、シリコン半導体を用いたバイポーラあるいは
CMOS（Complementary metal−oxide semiconductor）な
どをアナログ動作をする素子として改良しニューラルネ
ットワークの開発が行なわれている。
一方、ニューラルネットワークに可塑性機能を与えるシ
ナプスの働きをするものとして、電界効果トランジスタ
（FET）、トランスコンダクタンスアンプ（OTA）、キャ
パシタアレイ、スイッチト・レジスタ等が検討されてい
る。中でもFETには低電力、高利得という優れた特徴が
あり、EPROM（Erasable PROM）用のフローテイングゲー
トやMNOS（Metal−nitride oxide semiconductor）など
のFETが注目されている。
一方、アモルファスシリコンは、単結晶シリコンと異な
り不規則な構造欠陥を多く持ち、そこのダングリングボ
ンドに水素が結合した構造を持ち、正確にはａ−SiHXと
表わされる。また多孔質な構造が可能であることもアモ
ルファスシリコンの特徴である。それ故、アモルファス
シリコンでは、その格子欠陥中をドーパントが移動でき
るという特徴を有し、それによって導電率が大きく変化
する。このアモルファスシリコン中での可逆的ドーピン
グの現象は、例えばソリッド ステートコミュニケーシ
ョン 1990年版323頁（R.Konenkamp etal.,Solid State
Commun.,73（５）,p323（1990））に開示されている。
また一方、可塑性素子を目的とした素子としては、特開
昭63−200396号公報に導電性高分子を用いた導電性可変
素子が開示されている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前記従来技術は、いずれも電子素子とし
ても可塑性素子としても十分な特性を有していない。
本発明は、前記従来技術を解決するため、高利得で高性
能な特性をもつ新規な電気可塑性素子を提供することを
目的としている。
［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明の電気可塑性素子は、
一対の電極間に易動性ドーパントを含むアモルファスシ
リコン半導体層を形成し、前記一対の電極間に前記アモ
ルファスシリコン半導体層に沿って絶縁層または高抵抗
層を介して少なくとも一個のゲート電極を設け、前記ア
モルファスシリコン半導体層のドーパント分布を前記ゲ
ート電極によって制御し、前記アモルファスシリコン半
導体層の導電率を制御してなるという構成を備えたもの
である。
前記本発明の構成においては、アモルファスシリコン半
導体層に重ねて易動性ドーパント保持層を設けてなるこ
とが好ましい。
また前記本発明の構成においては、易動性ドーパント保
持層として作用するイオン伝導性のガラスまたはセラミ
ックス層よりなる基板上に、少なくとも一対の電極とア
モルファスシリコン半導体層を形成し、前記一対の電極
間の前記アモルファスシリコン半導体層の上に絶縁層ま
たは高抵抗層を介して一個のゲート電極を設けてなるこ
とが好ましい。
また前記本発明の構成においては、易動性ドーパント保
持層が、β−Al2O3,WO3をベースとするアルカリイオン
導電体、プロトン導電体、Ag+,Cu+を含むレドックス性
イオン導電体、ソーダガラス、多孔質セラミックスより
選ばれた一種よりなることが好ましい。
また前記本発明の構成においては、アモルファスシリコ
ン半導体層と易動性ドーパント保持層との間にドーパン
ト透過性分離層が形成されてなることが好ましい。
［作用］ 前記した本発明の構成によれば、アモルファスシリコン
半導体層内のドーパント分布をゲート電極によって制御
し、アモルファスシリコン半導体層の導電率を変化させ
るもので、一対の電極（FETのソース、ドレインに相
当）間の電流を大きく増幅してスイッチすることができ
る。
この素子の動作はドーパント易動性半導体のFET動作に
相当し、可塑性素子として利用できる優れたメモリー性
非線形電気特性を有する。また、ドーパントの選択（イ
オン半径、電荷量）や、易動性ドーパント保持層を易動
性ドーパントとの錯形成した化合物層とすることによ
り、ドーパントの易動性に正確な閾（しきい）値を持た
せることができる。
この電気可塑性素子のソース、ドレイン間のチャンネル
インピーダンスは、チャンネルのドーパント（半導体の
不純物）濃度に依存し、低インピーダンスほど大きなド
レイン電流を生じる。一般のMOSFET半導体では、このチ
ャンネルの不純物濃度を調整して各々エンハンスメント
形、デプレッション形のFETを作製する。
しかし本発明では、ドーパントが易動性で、そのドーパ
ントの極性はアモルファスシリコン半導体の電荷担体の
極性と反対であるため、FET原理による伝導の増減と反
対の方向にチャンネルの導電率が大きく変化して行く。
即ち、本発明の電気可塑性素子ではゲート電極に電圧を
印加すると、電界効果によるキャリヤ数がドーパント濃
度の時間的変化の影響を受けてチャンネルインピーダン
スが大きく変化することになる。アモルファスシリコン
半導体は、ドーパント濃度によって大きく導電率が変化
する（例えば10-10〜10-4Ω・cm）という特徴があり、
本発明はこの特徴を大きく発揮させ、高利得の電気可塑
性素子とすることができる。
また、この電界効果のレスポンスはマイクロ秒オーダで
あり、ドーパントの移動はミリ秒オーダが可能である。
それ故、学習、リセットはミリ秒の応答であるが、ニュ
ーラルネットとしての動作はチャンネル部の電子伝導性
を用いるため、マイクロ秒あるいはそれ以下の動作が可
能である。本発明におけるドーパントの移動はメモリー
性であり、ゲート電界がないときは移動しない。それ
故、本発明の可塑性素子でネットワークを組むと、チャ
ンネルインピーダンスの変化率が高いため、SN比の高い
優れたニューラルネットワークをつくることができる。
［実施例］ 以下実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
なお本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
第１図に、本発明の電気可塑性素子の一実施例を説明す
る断面概念図を示す。
易動性ドーパント保持層を兼ねたイオン伝導性のガラス
またはセラミックス基板４上に、一対の電極1,2を設
け、電極1,2の間にアモルファスシリコン半導体層３を
配し、さらにアモルファスシリコン半導体層３上に絶縁
層６を介してゲート電極５が形成されている。絶縁層６
の代わりに高抵抗層を形成する場合もある。このように
易動性ドーパント保持層４にイオン伝導性のガラスまた
はセラミックスを用いる場合にはこの構造が適するが、
有機高分子で易動性ドーパント保持層を形成する場合
は、例えば表面にアルミナ絶縁層を有するAl基板をゲー
ト電極としてアモルファスシリコン層、易動性ドーパン
ト保持層を順次形成する上下逆の構成のほうが作り安
い。また、第１図はアモルファスシリコン半導体層３の
下側に易動性ドーパント保持層４を設けたが、アモルフ
ァスシリコン半導体層３がある程度の厚さをもち、ドー
パントを含むものであれば、ドーパント分布をゲート電
極５によって制御し、前記アモルファスシリコン半導体
層の導電率を制御することができる。
第２図は、本発明の電気可塑性素子を２端子素子として
用いた一例を示す図である。導電性基板７上に、易動性
ドーパント保持層４を形成し、その上にアモルファスシ
リコン半導体層３を形成し、その半導体層の両端に一対
の電極１および２を設け、更に前記一対の電極１と２の
間に絶縁層６を介して、一個のゲート電極５が設けられ
ている。
一対の電極（ソース・ドレイン）1,2は第１図の例のよ
うにアモルファスシリコン層３と易動性ドーパント保持
層４の間に形成する方が動作が高速で高感度になる。
第１図及び第２図に示した、アモルファスシリコン半導
体層３に、易動性ドーパント保持層４を重ねて設けた構
成は、本発明において特に有用な電気可塑性素子を構成
する。また、これらの間にドーパント透過性分離層を設
けた構成は本発明の素子のドーパントの移動を閾値制御
するのに有用な構成である。このドーパント透過性分離
層は、電気絶縁性でドーパントの移動を精密に制御して
一対の電極（ソース・ドレイン）間のスイッチング電流
制御特性を安定化させるものでもある。
第４図に本発明の素子の等価回路と素子構成の関係並び
に原理を示す。カチオンドーパントD+は易動性であり、
しかもカチオンドーパントの極性はアモルファスシリコ
ン半導体のキャリヤの極性と反対であるため、ゲート電
極に印加した電圧に応じて移動し、カチオンドーパント
の速度の時間的変化の影響を受けて、チャンネルインピ
ーダンスが大きく変化する。このドーパントの移動速度
は、ゲート電圧の他、ドーパントの電荷、イオン半径、
アモルファスシリコンの構造、密度などにより大きく影
響される。第４図では説明のためアモルファスシリコン
半導体とカチオンドーパントの場合を示したが、本発明
はこのカチオンドーパントの場合だけに限定されないこ
とは勿論である。
本発明において、ゲート部の絶縁層の代わりに高抵抗層
８を用いた場合の等価回路は第５図のように表わされ
る。このゲート部の高抵抗層は、抵抗率105〜1012Ω・c
mの材料で構成されるのが望ましい。また、一対の電極
間のアモルファスシリコン半導体層３の導電率はドーピ
ング後、ここに示す等価回路から判るように易動性ドー
パント保持層４に比べてきわめて高いことが必要であ
る。本発明の素子は、膜方向すなわち、ソースードレイ
ン方向に、アモルファスシリコンの導電率が４〜８桁に
も及ぶきわめて大きな変化をするという特性を生かし
て、高利得の素子を構成できる特徴がある。一方、膜厚
方向にはきわめて大きな電界強度の電界を印加できるた
め、応答性を速くすることができる。
またこの電気可塑性素子の制御方法の一例としてｎ形ア
モルファスシリコン半導体とカチオンドーパントを用い
た場合の動作特性を第３図に示す。この図はドーパント
の移動によりパルス幅が長い場合を示しており、負のゲ
ートパルスで学習させ、正のゲートパルスでリセットさ
れる。この素子９を用いて第７図のようにニューラルネ
ットワークを組むと学習させた素子部分のみが非常に低
インピーダンスとなり、ニューラルネットワークができ
あがる。この素子は学習、リセットにはミリ秒オーダの
時間を要するが、学習後に通電駆動はマイクロ秒で作動
できるという特徴がある。この素子の動作の様子は、Ｉ
D−ＶG特性で表わすと第６図のように表わされ、これは
丁度MOSFETのエンハンスメント形とデプレッション形を
併せた特性に相当する。
本発明に用いるアモルファスシリコン半導体層３は、蒸
着、スパッタ、CVD（Chemical vapour deposition）、M
BE（Molecular beam epitaxial）などの各種の方法で作
ることができる。本発明の可塑性素子は、導電性高分子
を素材としても作ることができるが、このアモルファス
シリコンの場合は導電性高分子の場合と異なりドーパン
トのドープ、脱ドープによってアモルファスシリコンに
膨張、収縮が生じないことが大きな特徴である。このア
モルファスシリコン層の表面は、吸着や化学結合によっ
て種々の化学修飾ができ、アモルファスシリコン層の電
子状態を変化させることも可能である。
また、アモルファスシリコンの抵抗率は一般の不動性ド
ーパントのドーピングによってもｐ形、ｎ形に制御でき
るが、この場合には易動性ドーパントがこの不動性ドー
パントと相補的に相互作用し、抵抗率は任意に増減され
る。この相互作用を閾値動作に利用することも可能であ
る。本発明においては、ニューラルネットワークのイン
ピーダンスの関係から高抵抗率のアモルファスシリコン
がむしろ適し、不動性ドーパント濃度の高いものは普通
の構成ではあまり適さない。
易動性ドーパント保持層は、ドーパントが易動するよう
に構成された層で、低導電性であることが望ましく、イ
オン伝導性のガラス、セラミックスあるいは有機高分子
（高分子電界質）などによって作られる。イオン伝導性
のガラス、セラミックスは導電性基板を兼ねた材料とし
ても適する。この易動性ドーパント保持層の材料として
は、Na−β−Al2O3,NaX,WO3などのアルカリイオン導電
体、プロトン導電体、Ag+,Cu+を含む可逆性の高いイオ
ン導電体、ソーダガラスなどの、イオン伝導性のガラ
ス、セラミックスが望ましい。また、ゼオライトに代表
される多孔質のセラミックスもこれに適す。この他にリ
チウムイオン導電体、ハロゲンイオン導電体等もある。
また、ポリイオンコンプレックス、イオン伝導性高分子
組成物などの有機高分子材料も用いることができる。こ
の易動性ドーパント保持層は、層方向に絶縁性が高く、
層に直角の方向に高導電性という導電異方性膜であって
よい。本発明の素子においては、ゲート電極によるドー
パントの移動によって、このドーパントの侵入したアモ
ルファスシリコンにはドーパントと逆極性のキャリヤが
生じる。一方、易動性ドーパント保持層に残った逆極性
の対イオンはレドックスを受ける。それ故、この易動性
ドーパント保持層はレドックスに対し、可逆で安定した
物質でなくてはならない。この易動性ドーパント保持層
４を、易動性ドーパントが錯形成したイオン伝導性ガラ
スまたはセラミックスとする構成は可塑性素子にしきい
値特性を付与し、メモリー性を確実にする上で望まし
く、イオン包接化合物がこれに属す。この構成では本発
明の素子のゲート電極の動作時に起こる易動性ドーパン
トの移動による電気的レドックスを、可逆でかつ安定な
ものにすることができる。
また、ドーパント透過性分離層８にはイオン易透過性の
多孔質膜等が用いられ、電池のセパレータ材料などがこ
れに適す。
本発明の電気可塑性素子は第１図もしくは第２図に示し
たような構造だけでなく、例えば基板７にSiO2絶縁性表
面を持つシリコン単結晶を基板として用いた素子の構成
も可能である。
本発明のこの電気可塑性素子は複数個用いて半導体集積
回路プロセスと同様の手法によって集積回路素子を構成
でき、ニューロチップを構成する。
次に具体的実施例を用いて本発明を説明する。
実施例１ Na+をイオンキャリヤにもつイオン伝導性ガラス（ソー
ダガラス）基板４上に第１図に示したように一対の電極
１、２を設け、その上に10μｍ厚のアモルファスシリコ
ン層３を形成し、その間に絶縁層６を介してゲート電極
５を設けた。
こうして電気可塑性素子を構成し、この素子のゲート電
極にパルス電圧を加え、動作させたところ、第３図のよ
うな非線形スイッチング特性を示した。
この動作を利用して、負のゲートパルスで学習させ、正
のゲートパルスでリセットされる。
この素子で第７図に示すネットワークを組み、任意の入
出力端子間に電圧を印加したところ、入力端子から出力
端子までの最短経路上にある素子部分のみが非常に低イ
ンピーダンスとなり、入力と出力の関係を素子の抵抗変
化として学習させることができた。
実施例２ 基板７上に第２図に示したように、３μｍのNa−β−ア
ルミナよりなる1mm厚のイオン伝導性セラミックス層４
と、１μｍのアモルファスシリコン半導体層３とを順次
重ねて形成し、その上に一対の電極１、２を形成した。
これらの上に図のように絶縁層６とゲート電極５を設け
電気可塑性素子とした。
こうして得た電気可塑性素子のゲートとソースを短絡
し、10Vの負のゲートパルスで学習させ、10Vの性のゲー
トパルスでリセットさせたところ、V6Ωのチャンネルイ
ンピーダンスの変化をした。
この素子で第７図に示すネットワークを組み、任意の入
出力端子間に電圧を印加したところ、入力端子から出力
端子までの最短経路上にある素子部分のみが非常に低イ
ンピーダンスとなり、入力と出力の関係を素子の抵抗変
化として学習させることができた。
実施例３ SiO2絶縁膜を有するシリコン基板上に、３μｍのアモル
ファスシリコン層を設け、その上に一対のAu−Ni電極を
設けその電極間に５μｍのNa+をイオンキャリヤとする
タングステンブロンズ（NaXWO3）を易動性ドーパント保
持層として形成した。こうして得た電気制御素子をシリ
コン基板をゲート電極として動作させたところ、実施例
１とほぼ同様なスイッチング特性およびソースドレイン
電流の時間的特性が得られた。こうして得た電気制御素
子でニューロネットワークを組み、動作させたところ、
学習信号に対応した抵抗パターンを持つネットワークを
作ることができた。
以上説明した通り、本実施例によれば、一対の電極間に
易動性ドーパントを含むアモルファスシリコン半導体層
とゲート電極とよりなる新規な電気可塑性素子を提供す
るもので、不規則な構造を有するアモルファスシリコン
の特徴を大いに生かしたものである。
本実施例の素子は、ニューラルネットワークによる情報
処理に用いることができる導電率変化の非常に大きな優
れた可塑性を持つ半導体素子である。
また、本実施例のこの電気可塑性素子は、複数個用いて
半導体集積回路プロセスと同様の手法によって集積回路
素子を構成できるもので、ニューラルネットワークを構
成でき情報処理に大いに有用なものである、 このように、本発明は工業的価値の大なるものである。
［発明の効果］ 以上説明した通り本発明によれば、アモルファスシリコ
ン半導体層内のドーパント分布をゲート電極によって制
御し、アモルファスシリコン半導体層の導電率を変化さ
せるもので、一対の電極（FETのソース、ドレインに相
当）間の電流を大きく増幅してスイッチすることがで
き、高利得で高性能な特性をもつ新規な電気可塑性素子
とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図はそれぞれ本発明における電気可塑性
素子の構成の一実施例を示す断面概念図、第３図は本発
明の一実施例の電気可塑性素子のゲート電圧に対応する
ドレイン電流応答を示す図、第４図、第５図は本発明の
一実施例の素子の等価回路と素子構成の関係並びに原理
を示す図、第６図は本発明の一実施例の素子のドレイン
電流ーゲート電圧（ＩD−ＶG）特性を示す図、第７図は
本発明の電気可塑性素子を用いたニューラルネットの一
例を示す図である。 1,2……一対の電極、３……アモルファスシリコン半導
体層、４……易動性ドーパント保持層、５……ゲート電
極、６……絶縁層、７……導電性基板、８……高抵抗
層、９……電気可塑性素子。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一対の電極間に易動性ドーパントを含むア
    モルファスシリコン半導体層を形成し、前記一対の電極
    間に前記アモルファスシリコン半導体層に沿って絶縁層
    または高抵抗層を介して少なくとも一個のゲート電極を
    設け、前記アモルファスシリコン半導体層のドーパント
    分布を前記ゲート電極によって制御し、前記アモルファ
    スシリコン半導体層の導電率を制御してなる電気可塑性
    素子。
  2. 【請求項２】アモルファスシリコン半導体層に重ねて易
    動性ドーパント保持層を設けてなる請求項１記載の電気
    可塑性素子。
  3. 【請求項３】易動性ドーパント保持層として作用するイ
    オン伝導性のガラスまたはセラミックス層よりなる基板
    上に、少なくとも一対の電極とアモルファスシリコン半
    導体層を形成し、前記一対の電極間の前記アモルファス
    シリコン半導体層の上に絶縁層または高抵抗層を介して
    一個のゲート電極を設けてなる請求項２記載の電気可塑
    性素子。
  4. 【請求項４】易動性ドーパント保持層が、β−Al2O3,WO
    3をベースとするアルカリイオン導電体、プロトン導電
    体、Ag+,Cu+を含むレドックス性イオン導電体、ソーダ
    ガラス、多孔質セラミックスより選ばれた一種からなる
    請求項２または３記載の電気可塑性素子。
  5. 【請求項５】アモルファスシリコン半導体層と易動性ド
    ーパント保持層との間にドーパント透過性分離層が形成
    されてなる請求項２記載の電気可塑性素子。
JP2318733A 1990-11-22 1990-11-22 電気可塑性素子 Expired - Fee Related JPH0770731B2 (ja)

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