JP2769559B2 - Semiconductor device and optical niuro system - Google Patents
Semiconductor device and optical niuro systemInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超並列ニューロコンピュータやパタン認識
装置などの神経回路網（ニューラルネットワーク）をモ
デルにし、半導体装置をシナプスとした光ニューロシス
テムに関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical neural system using a neural network (neural network) such as a massively parallel neurocomputer or a pattern recognition device as a model and using a semiconductor device as a synapse. It is.
従来の光ニューロシステムにおいては、日経マイクロ
デバイス、1988年７月号、pp66−71に記載されているよ
うに、ニューロ間結合素子（シナプス）として、空間光
変調管やホログラム、あるいはエマルジョン・マスクを
用いたものが報告されている。また、入力光に対する透
過率が２段階に変化する光双安定素子としては、電子情
報通信学会技術研究報告Vol.88,No.6,pp3−67（1988）
に記載されているように、２重障壁共鳴トンネリングダ
イオードと、多重量子井戸構造を有するｐ−ｎ接合ダイ
オードとを組み合わせた半導体素子が報告されている。In a conventional optical neurosystem, as described in Nikkei Micro Devices, July 1988, pp. 66-71, a spatial light modulator tube, hologram, or emulsion mask is used as an inter-neuron coupling element (synapse). The ones used have been reported. Further, as an optical bistable element whose transmittance to input light changes in two steps, IEICE Technical Report Vol.88, No.6, pp3-67 (1988)
As described in (1), a semiconductor device combining a double barrier resonant tunneling diode and a pn junction diode having a multiple quantum well structure has been reported.
従来のニューロシステムにおける問題点は、光ニュー
ロシステムには不可欠であるとされる、１）学習機能の
有無と、２）集積化の可否との２点であるが、上記シナ
プスのそれぞれについては、これらの問題点についてつ
ぎのように分類されている。There are two problems with the conventional neurosystem, which are considered to be indispensable for the optical neurosystem: 1) the presence or absence of a learning function, and 2) the possibility of integration. For each of the above synapses, These problems are classified as follows.
空間光変調管あるいはホログラムをシナプスに用いた
システム：空間光変調管を用いたシステムでは、信号光
のパタンをLiNbO3結晶表面の電荷パタンとして記憶し、
レーザ光を用いて記憶情報の読み出しを行っている。ま
た、ホログラムを用いたシステムでは、ホログラム材料
としてLiNbO3結晶を用い、信号光と参照光との干渉縞を
記憶している。そのため、これらのシステムでは、学習
機能に必須とされる記憶情報の書替えを比較的容易に行
うことができる。しかし、これらのシステムは、その構
成が大規模となり複雑であるため、集積化をはかること
が困難である。System using a spatial light modulator or hologram for synapse: In a system using a spatial light modulator, the signal light pattern is stored as a charge pattern on the LiNbO 3 crystal surface,
Reading of stored information is performed using laser light. In a system using a hologram, a LiNbO 3 crystal is used as a hologram material, and interference fringes between signal light and reference light are stored. Therefore, in these systems, it is possible to relatively easily rewrite stored information that is essential for the learning function. However, these systems are difficult to integrate because their configurations are large and complicated.
エマルジョン・マスクをシナプスとして用いたシステ
ム：このシステムでは１枚のエマルジョン・マスクをマ
トリクス状に分割し、それぞれの領域の透過率を±0,±
1,±２の重み付けで変化させて記憶しており、チップ化
をはかることが可能である。しかしながら、一旦マスク
に書き込まれた情報（透過率）は固定記憶であり、これ
は書き替えることができないため、学習機能を持ってい
ないことになる。A system using an emulsion mask as a synapse: In this system, one emulsion mask is divided into a matrix and the transmittance of each area is ± 0, ±
It is stored by being changed by weighting of 1, ± 2, and can be made into a chip. However, the information (transmittance) once written in the mask is a fixed storage, which cannot be rewritten, and therefore has no learning function.
また、２重障壁共鳴トンネリングダイオードと、多重
量子井戸構造ｐ−ｎ接合ダイオードとを組み合わせた光
双安定素子では、入力光に対する透過率をデジタル的に
しか変化させることができず、ニューロシステムに必須
のアナログ的（多値論理的）信号処理が不可能である。Further, in an optical bistable element in which a double barrier resonant tunneling diode and a multi-quantum well pn junction diode are combined, the transmittance for input light can only be changed digitally, which is essential for a neurosystem. (Multi-valued logic) signal processing is impossible.
上記課題を解決するためには、第１図（ａ）に示すよ
うに、ニューロン間の結合素子（シナプス）として、電
流−電圧特性に多重負性微分コンダクタンスを有する電
子素子１と、多重量子井戸構造を有するｐ−ｎ接合ダイ
オード２からなる半導体装置を、ウェハ上の２次元平面
内で、マトリクス状に配置した光フィルタ装置を用い
る。In order to solve the above problem, as shown in FIG. 1 (a), as a coupling element (synapse) between neurons, an electronic element 1 having multiple negative differential conductance in current-voltage characteristics, and a multiple quantum well An optical filter device is used in which a semiconductor device including a pn junction diode 2 having a structure is arranged in a matrix in a two-dimensional plane on a wafer.
上記半導体装置は、多重負性微分コンダクタンス素子
１と多重量子井戸（MQW）ｐ−ｉ−ｎダイオード２との
直列接続で成り立っており、加えられた外部電圧V0に対
しては、第１図（ｂ）に示すように、上記抵抗素子の電
圧電流曲線４とMQWの電圧電流特性曲線３との交叉によ
り、Q1〜Q4で示す複数個の安定点を有している。上記安
定点は加えた外部電圧V0に対する動作点であって、上記
安定点以外では動作しない。ここで、MQW p−ｉ−ｎダ
イオードの光電流３（第１図（ｂ）;Iph）は、照射した
赤外光により制御されている。このとき、上記安定点Q1
〜Q4間のスイッチングは、外部電圧V0にパルス電圧ΔV0
を加えることにより行われる。一方、よく知られている
ように、MQW p−ｉ−ｎダイオード２の赤外光に対する
吸収係数は、MQWに加えられる電界の大きさに依存し
て、第１図（ｃ）のように変化する（量子閉じ込めシュ
タルク効果）。いま、システムの光信号としてエネルギ
ー1.445eVの赤外光を用いると（図中実線上）、MQWの吸
収係数は電界が強くなるにつれて大きくなる。このた
め、上記のように半導体装置が上記の安定点間をQ1→Q2
→Q3とスイッチングするにつれ、信号光に対するMQWの
吸収率は１→２→３と多段階に減少することになる。し
たがって、本発明の半導体装置をシナプスとして用いれ
ば、信号光に対する透過率を多値論理的に設定記憶する
ことができ、その記憶情報は外部電圧によって容易に書
き替えることが可能になる。The semiconductor device is composed by series connection of the multiple negative differential conductance element 1 and the multi-quantum well (MQW) p-i-n diode 2, with respect to the external voltage V 0 applied, Figure 1 As shown in (b), a plurality of stable points indicated by Q 1 to Q 4 are provided by the intersection of the voltage-current curve 4 of the resistance element and the voltage-current characteristic curve 3 of the MQW. A working point for the external voltage V 0 plus the above stable point only operates in the stable point. Here, the photocurrent 3 (FIG. 1 (b); I ph ) of the MQW pin diode is controlled by the irradiated infrared light. At this time, the above stable point Q 1
Switching between to Q 4, the pulse voltage [Delta] V 0 to an external voltage V 0
This is done by adding On the other hand, as is well known, the absorption coefficient of the MQW pin diode 2 for infrared light changes as shown in FIG. 1 (c) depending on the magnitude of the electric field applied to the MQW. (The quantum confined Stark effect). If infrared light having an energy of 1.445 eV is used as the optical signal of the system (solid line in the figure), the absorption coefficient of MQW increases as the electric field increases. Therefore, as described above, the semiconductor device moves between the above-mentioned stable points Q 1 → Q 2
→ Q 3 and As switching, absorption rate of the MQW for the signal light will decrease in multiple stages as 1 → 2 → 3. Therefore, when the semiconductor device of the present invention is used as a synapse, the transmittance for signal light can be set and stored in a multi-valued logical manner, and the stored information can be easily rewritten by an external voltage.
上記半導体装置は、第２図（ａ）に示すように１枚の
ウェハ上で容易にマトリクス状に配置され、光ニューロ
システムにおける書き替え可能な透過光制御シナプス５
として用いることができる。第２図（ｂ）に示したの
は、本発明の半導体装置を用いた学習機能を有する光ニ
ューロシステムの構成である。発光ダイオードアレイ６
から入射した信号は、半導体装置マトリクス５で処理さ
れたのち、ホトダイオードアレイ７に集光される。この
出力信号はあらかじめ用意した訓練信号に比較され、そ
の結果が電圧パルスとして半導体装置マトリクス５にフ
ィードバックされる。上記フィードバック信号が各半導
体装置の外部電圧端子に加えられ、記憶情報が書き替え
られる。The semiconductor devices are easily arranged in a matrix on a single wafer as shown in FIG. 2 (a), and the rewritable transmitted light control synapse 5 in the optical neurosystem is used.
Can be used as FIG. 2B shows the configuration of an optical neurosystem having a learning function using the semiconductor device of the present invention. Light emitting diode array 6
Is incident on the photodiode array 7 after being processed by the semiconductor device matrix 5. This output signal is compared with a training signal prepared in advance, and the result is fed back to the semiconductor device matrix 5 as a voltage pulse. The feedback signal is applied to an external voltage terminal of each semiconductor device, and stored information is rewritten.
上記のように、本発明の半導体装置をシナプスとして
用いた光ニューロシステムは、学習機能を実現する上で
不可欠な記憶情報の書き替えを可能とし、また、集積化
が可能である。As described above, the optical neurosystem using the semiconductor device of the present invention as a synapse enables rewriting of stored information indispensable for realizing a learning function and can be integrated.
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。第３
図（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例として光多安定素
子の製作工程をそれぞれ示す断面図、（ｆ）はその動作
を示す図、第４図は本発明の半導体装置をシナプスとし
て用いたパタン認識装置の構成図である。第３図に実施
例として示す半導体装置は、多重負性コンダクタンス素
子に２重障壁構造共鳴トンネリングバリアの５層構造ダ
イオードを用いたものである。p+−GaAs基板８上に、第
３図（ａ）に示すように、MBE法でｐ−GaAs層９（キャ
リア濃度３×1017/cm3,膜厚500Å）を成長させたのち、
MQW構造層10を成長させる。上記MQW構造層10の構成は、
P+−GaAs基板８側からｉ−Al0.3Ga0.7As層（膜厚25Å）
/i−GaAs層（膜厚100Å）を障壁層（バンドギャップが
広い半導体薄膜層）および井戸層（バンドギャップが狭
い半導体薄膜層）として、100周期繰り返したものとす
る。その後、再びMBE法でｎ−GaAs層11（キャリア濃度
３×1017/cm3,膜厚500Å）およびn+−GaAs層12（キャリ
ア濃度１×1018/cm3,膜厚3000Å）を成長させる。つぎ
に、第３図（ｂ）に示すように、多重負性コンダクタン
ス部13をMBE法によって成長させる。上記多重負性コン
ダクタンス部13の構成は、既に成長済のMQW構造側から
つぎに示すとおりに形成する。すなわち、n+−GaAs層
（キャリア濃度１×1018/cm3,膜厚500Å）/i−GaAs層
（膜厚300Å）/i−Al0.3Ga0.7As層（膜厚50Å）/i−GaA
s層（膜厚50Å）/i−Al0.3Ga0.7As層（膜厚50Å）/i−G
aAs層（膜厚300Å）の６層を単位構造とし、該単位構造
を５回繰り返したのち、最後にn+−GaAs層14（キャリア
濃度１×1018/cm3,膜厚3000Å）を成長させる。通常の
ホトリソグラフィ技術により、第３図（ｃ）に示すよう
に、メサ領域15および信号光、制御光の入射領域16を形
成する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Third
FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views showing steps of manufacturing an optical multistable element as an embodiment of the present invention, FIG. 4F is a view showing the operation thereof, and FIG. FIG. 2 is a configuration diagram of a pattern recognition device used as a device. A semiconductor device shown as an embodiment in FIG. 3 uses a five-layer diode having a double barrier structure and a resonant tunneling barrier as a multiple negative conductance element. As shown in FIG. 3 (a), after growing a p-GaAs layer 9 (carrier concentration 3 × 10 17 / cm 3 , film thickness 500 °) on the p + -GaAs substrate 8 by MBE,
The MQW structure layer 10 is grown. The configuration of the MQW structure layer 10 is as follows:
I-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (25 mm thick) from P + -GaAs substrate 8 side
It is assumed that the / i-GaAs layer (thickness: 100 °) is repeated 100 times as a barrier layer (a semiconductor thin film layer having a wide band gap) and a well layer (a semiconductor thin film layer having a narrow band gap). Thereafter, the n-GaAs layer 11 (carrier concentration 3 × 10 17 / cm 3 , film thickness 500 °) and the n + -GaAs layer 12 (carrier concentration 1 × 10 18 / cm 3 , film thickness 3000 °) are grown again by the MBE method. Let it. Next, as shown in FIG. 3B, the multiple negative conductance portion 13 is grown by the MBE method. The configuration of the multiple negative conductance portion 13 is formed as follows from the already grown MQW structure side. That is, n + -GaAs layer (carrier concentration 1 × 10 18 / cm 3 , thickness 500 Å) / i-GaAs layer (thickness 300 Å) / i-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (thickness 50 Å) / i-GaA
s layer (film thickness 50 mm) / i-Al 0.3 Ga 0.7 As layer (film thickness 50 mm) / i-G
Six unit layers of the aAs layer (thickness 300 mm) are used as a unit structure, and after repeating the unit structure five times, an n + -GaAs layer 14 (carrier concentration 1 × 10 18 / cm 3 , thickness 3000 mm) is finally grown. Let it. As shown in FIG. 3 (c), a mesa region 15 and an incident region 16 for signal light and control light are formed by ordinary photolithography.
その後、CVD法によりSiO2膜17（膜厚4000Å）を成長
させ、電極形成領域18および信号光、制御光の入射孔19
を形成する。つぎに第３図（ｅ）に示すように、通常の
リフトオフ法によりカソード電極20、アノード電極21を
それぞれ形成する。上記電極の材料としては、AuGe/Ni/
Auをそれぞれ600/100/600Å蒸着する。Thereafter, a SiO 2 film 17 (thickness: 4000 Å) is grown by the CVD method, and the electrode formation region 18 and the signal light and control light entrance holes 19 are formed.
To form Next, as shown in FIG. 3E, a cathode electrode 20 and an anode electrode 21 are formed by a normal lift-off method. AuGe / Ni /
Au is deposited at 600/100 / 600Å respectively.
上記のようにして作製した素子は、第３図（ｆ）に示
すように６個の安定点を有し、入射光に対する透過率、
すなわち、蓄積情報を６段階に変化させることができ
る。The device manufactured as described above has six stable points as shown in FIG.
That is, the accumulated information can be changed in six stages.
上記のような半導体装置はＮ×Ｎのマトリクス状に配
置した光フィルタ５と、Ｎ個のLEDアレイ６およびＮ個
のホトダイオードアレイ７とを、第４図に示すように配
置してパタン認識装置を構成した。入力する２次元パタ
ンはＮビットの電気信号で表され、LEDアレイ６で光に
変換したのち、半導体装置マトリクス５で透過率につい
てそれぞれ重み付けされる。出力信号はホトダイオード
アレイ７で電気信号に変換され、しきい値処理素子に送
られるが、その一部はあらかじめ与えられた訓練信号と
比較され、誤差信号として半導体装置マトリクス５にフ
ィードバックされる。上記信号はそれぞれの光多安定素
子の外部電圧端子に加えられ、記憶情報（透過率）の書
き替えが行われる。上記のようにして、本システムでは
学習機能に不可欠な記憶情報の書き替えを、容易に行う
ことが可能である。In the semiconductor device as described above, an optical filter 5 arranged in an N × N matrix, an N LED array 6 and an N photodiode array 7 are arranged as shown in FIG. Was configured. The input two-dimensional pattern is represented by an N-bit electric signal, is converted into light by the LED array 6, and is weighted by the semiconductor device matrix 5 for transmittance. The output signal is converted to an electric signal by the photodiode array 7 and sent to the threshold value processing element. A part of the output signal is compared with a training signal given in advance and fed back to the semiconductor device matrix 5 as an error signal. The above signals are applied to external voltage terminals of the respective optical multistable elements, and stored information (transmittance) is rewritten. As described above, in the present system, it is possible to easily rewrite stored information indispensable for the learning function.
上記のように本発明による半導体装置および光ニュー
ロシステムは、電流−電圧特性に少なくとも２個以上の
負性微分コンダクタンスを有する電子素子と、多重量子
井戸構造を有するｐ−ｎ接合ダイオードとからなり、入
射した光に対する本半導体装置の透過率が多段階（多値
論理的）に変化するようにしたことにより、入力光に対
する記憶情報（透過率）が多値論理的に書き替えられ、
超並列光ニューロコンピュータやパタン認識装置等の光
並列処理システムに適用したとき、学習機能および集積
度向上に対して大きな効果を得ることができる。As described above, the semiconductor device and the optical neurosystem according to the present invention include an electronic element having at least two or more negative differential conductances in current-voltage characteristics, and a pn junction diode having a multiple quantum well structure. By changing the transmittance of the semiconductor device with respect to the incident light in multiple steps (multi-valued logic), the stored information (transmittance) with respect to the input light is rewritten in multi-valued logic,
When applied to an optical parallel processing system such as a massively parallel optical neurocomputer or a pattern recognition device, a great effect can be obtained with respect to a learning function and an improvement in the degree of integration.
第１図は本発明による半導体装置で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は上記半導体装置の動作点を示す図、（ｃ）はMQ
W p−ｉ−ｎダイオード構造における吸収係数を示す
図、第２図（ａ）は半導体装置をマトリクス状に配置し
た光フィルタ、（ｂ）は上記マトリクスをシナプスとし
て用いた光ニューロシステムの構造図、第３図（ａ）〜
（ｅ）は本発明の一実施例として半導体装置の製作工程
をそれぞれ示す図、（ｆ）は上記半導体装置の動作を示
す図、第４図は上記半導体装置のマトリクスをシナプス
として用いたパタン認識装置の構成図である。 １……多重負性微分コンダクタンス ２……多重量子井戸構造を有するｐ−ｎ接合ダイオード ５……半導体装置マトリクスFIG. 1 shows a semiconductor device according to the present invention, wherein FIG.
(B) is a diagram showing an operating point of the semiconductor device, and (c) is an MQ.
FIG. 2A is a diagram showing an absorption coefficient in a Wp-i-n diode structure. FIG. 2A is an optical filter in which semiconductor devices are arranged in a matrix, and FIG. 2B is a structural diagram of an optical neurosystem using the matrix as a synapse. , FIG. 3 (a)-
(E) is a diagram showing a manufacturing process of a semiconductor device as one embodiment of the present invention, (f) is a diagram showing the operation of the semiconductor device, and FIG. 4 is a pattern recognition using a matrix of the semiconductor device as a synapse. It is a block diagram of an apparatus. 1 Multiple negative differential conductance 2 pn junction diode having multiple quantum well structure 5 Semiconductor device matrix
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 3/00,3/02 H01L 31/10,27/14──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02F 3 / 00,3 / 02 H01L 31 / 10,27 / 14
Claims (4)
性微分コンダクタンスを有する電子素子と、多重量子井
戸構造を有するｐ−ｎ接合ダイオードとからなり、入射
した光に対するその透過率が多段階（多値論理的）に変
化する半導体装置。An electronic device having at least two or more negative differential conductances in a current-voltage characteristic and a pn junction diode having a multiple quantum well structure, wherein the transmittance of incident light is multi-step. A semiconductor device that changes (multi-valued logic).
のｎ層上に、少なくとも３層の障壁層と少なくとも２層
の井戸層からなる単位構造（共鳴トンネリングバリア
層）を繰り返し積層して構成される半導体装置。2. A unit structure (resonant tunneling barrier layer) comprising at least three barrier layers and at least two well layers is repeatedly laminated on an n-layer of a pin type device having a multiple quantum well layer. Semiconductor device configured by:
した半導体装置を、ウェハ上の２次元平面内でマトリク
ス状に配置して光フィルタ装置とした光ニューロシステ
ム。3. An optical neurosystem in which the semiconductor devices according to claim 1 or 2 are arranged in a matrix in a two-dimensional plane on a wafer to form an optical filter device.
（シナプス）であることを特徴とする特許請求の範囲第
３項に記載した光ニューロシステム。4. An optical neurosystem according to claim 3, wherein said filter device is an interneuron coupling element (synapse).
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