(57)【要約】  【課題】単体素子で一連のニューロン動作を実現可能なニューロン動作素子を提供する。  【解決手段】イオン拡散材料を挟んで一方に入力用金属電極を配置し、もう一方には絶縁物材料を介して出力用の電極１と電極２を配置することで、３端子型構造を形成する。その上で、入力用金属電極に電圧を印加してイオン拡散材料中における金属イオンの拡散とその核形成を制御することにより、電極１と電極２の間の電気的接続が実現される。この動作がニューロンの発火現象に対応する。さらに、形成された伝導経路を流れる電流によって伝導路自身が加熱されて消滅することで、ニューロンの発火現象の終了動作に対応する動作も実現できる。【選択図】図３
2015146373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン拡散材料を挟んで一方には入力用電極が、もう一方には絶縁物材料を介して出力用の第１の電極及び第２の電極が配置された３端子型の構造を有し、
前記入力用電極は電圧の印加により前記イオン拡散材料中を拡散する金属イオンを前記イオン拡散材料に与え、
前記入力用電極に印加される電圧によって前記イオン拡散材料中における金属イオンの拡散とその核形成を複数の入力によって制御して動作する３端子型素子であって、
核形成した金属によって前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に接続される
ニューロン動作素子。
【請求項２】
前記核形成した金属を流れる電流による加熱現象によって前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気的接続が消滅する、請求項１に記載のニューロン動作素子。
【請求項３】
前記入力用電極は銅、銀及びリチウムからなる群から選択された少なくとも一の元素を含む、請求項１または２に記載のニューロン動作素子。
【請求項４】
前記入力用電極は銅、銀及びリチウムからなる群から選択された金属または前記群から選択された少なくとも一の金属を含む合金である、請求項３に記載のニューロン素子。
【請求項５】
前記入力用電極は電極と、
前記金属イオンを含有し、前記電極に印加された電圧によって前記金属イオンを前記イオン拡散材料に供給する層とを設けた、
請求項３に記載のニューロン素子。
【請求項６】
前記イオン拡散材料が金属酸化物である、請求項１から５の何れかに記載のニューロン動作素子。
【請求項７】
前記酸化物材料がシリコン酸化物、チタン酸化物、タンタル酸化物及びタングステン酸化物からなる群から選択された一の酸化物または選択された複数の混合酸化物である、請求項６に記載のニューロン動作素子。
【請求項８】
前記イオン拡散材料が固体電解質材料である、請求項１から５の何れかに記載のニューロン動作素子。
【請求項９】
前記固体電解質材料が硫化物、セレン化合物及びヨウ化物から選択された一の化合物または選択された複数の混合化合物である、請求項８に記載のニューロン動作素子。
【請求項１０】
前記硫化物は硫化銀及び硫化銅からなる群から選択された少なくとも一である、請求項９に記載のニューロン動作素子。
【請求項１１】
前記セレン化合物はセレン化銀及びセレン化銅からなる群から選択された少なくとも一である、請求項９または１０に記載のニューロン動作素子。
【請求項１２】
前記ヨウ化物はヨウ化銀、ヨウ化銅及びヨウ化ルビジウム銀からなる群から選択された少なくとも一である、請求項９から１１の何れかに記載のニューロン素子。
【請求項１３】
前記入力用金属電極から見た第１の電極と第２の電極との配置が非対称である、請求項１から１２の何れかに記載のニューロン動作素子。
【請求項１４】
前記絶縁物材料を介して配置された前記出力用の第１の電極と第２の電極との間隔が１ナノメートル以上１０ナノメートル以下である、請求項１から１３の何れかに記載のニューロン動作素子。
【請求項１５】
前記イオン拡散材料の膜厚が５ナノメートル以上、４０ナノメートル以下である、請求項１から１４の何れかに記載のニューロン動作素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力信号を蓄積して、その蓄積量が臨界値に達した時点で出力し、かつ、出力を自動的に終了するニューロン動作素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳型コンピューターの主な構成要素はニューロンとシナプスである。従来、これらの動作は半導体素子を用いた回路によって実現されてきた。生物においては微細な細胞で実現されている動作を多数の素子で構成された回路を用いて再現していたため、大規模な集積化が出来なかった。このうち、ニューロンからの信号によって結合強度（抵抗）を変化させるシナプス動作は、いくつかの不揮発性メモリ素子によって再現可能であることが分かってきた。例えば、イオン拡散材料中におけるイオンの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）。
【０００３】
一方、ニューロン動作には、
１）シナプス素子からの入力信号を内部蓄積して、
２）その蓄積量が一定の値（臨界値）を超えた時点で出力（発火）し、さらには、
３）出力後に自動的に出力を減衰させる（不応期移行）
ことが求められる。生物におけるニューロンの動作を、図１に模式的に示す。生物のニューロンでは、シナプスからの信号入力によってその内部ポテンシャルが一時的に上昇し、信号の入力が無くなると内部ポテンシャルの減衰が起こる。信号が入力される度に、図１に示した様な内部ポテンシャルの振動（上昇−減衰のサイクル）が起こる。この際、内部ポテンシャルがある臨界値を超えると、ニューロンは発火（出力）する。発火によって内部ポテンシャルが減衰し臨界値を下回ることで、発火（出力）も止まる。
【０００４】
なお、ニューロンはシナプスを介して複数のニューロンと繋がっており、実際には複数のシナプスからの信号を入力として図１に示したような現象が起こっている。従来の脳型コンピューター開発では、図１に示したニューロン動作を行う部分と、複数のシナプスからの入力信号を加算して同部分に送る部分を合わせてニューロンと定義している。本発明では、このうち、複雑な信号処理を必要とする前者を「ニューロン動作」と定義する。
【０００５】
この複雑な動作を実現できる単体の素子は過去には存在しなかったため、従来の脳型コンピューター開発では、ニューロン動作は半導体素子等を用いた回路によって実現されてきた。例えば、非特許文献２の３１８２頁〜３１８５頁にその一例が記載されている。図２に、その回路の模式図を示す。この回路では、抵抗及びコンデンサーからなる並列回路（図中、左部分。一端が入力ラインに接続され、もう一端が接地されている。）を用いることで、シナプス入力によるポテンシャルの内部振動に相当する動作を実現している。すなわち、コンデンサーへの電荷の蓄積と放出現象、抵抗を経由した電流の流れを利用することで、閾値回路への入力を振動させている。閾値回路への入力電圧が閾値回路で設定した値（臨界値）を超えると、閾値回路からパルス発生器に信号が出力され、パルス発生器はパルスを出力する。並列回路を構成する抵抗の抵抗値（Ｒ）とコンデンサーの容量（Ｃ）で決まる時定数（ＣＲ）によって入力信号の波形は変形する。例えば、入力信号が矩形波の場合、入力電圧Ｖに対して、その立ち上がりは
Ｖ×（１−ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ））
の様に徐々に上昇し、立ち下がりは
Ｖ×ｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ）
の様に徐々に減衰する。ここで、ｔは時間である。従って、並列回路を構成する抵抗の抵抗値とコンデンサーの容量の選択によって、内部振動を実現する時定数を選択できる。また、閾値回路を構成する素子等の抵抗値等を変えることで、臨界値を任意に設定することもできる。ニューロン動作の発火に相当するパルス出力も、パルス発生器の設定によってパルス幅やパルス高さ（出力電圧の大きさ）などを任意に設定できる。
【０００６】
上記従来例では、生物におけるたったひとつのニューロンの動作を複雑な回路を用いて再現していた。脳型コンピューターの開発では、如何に多くのニューロンをシナプス素子で結合出来るかで、その性能が決まると言っても過言では無い。しかしながら、多数の回路同士を接続することは複雑で長い配線網が必要となることなどから、結合可能なニューロンの数があまりにも少なく、高度な演算を実現可能なシステムの構築が事実上出来なかった。さらには、上記従来例では、一旦回路を構築すると、時定数は固定されてしまい、信号の入力頻度や強度に依存して時定数が変化する生物におけるニューロンの動作を再現できないという問題もあった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ニューロン動作を再現できる単体素子を提供することを目的とする。また、その動作は、生物のニューロンの様に入力信号の強度や頻度に応じて時定数を変えることが可能なニューロン動作素子を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によれば、イオン拡散材料を挟んで一方には入力用電極が、もう一方には絶縁物材料を介して出力用の第１の電極及び第２の電極が配置された３端子型の構造を有し、前記入力用電極は電圧の印加により前記イオン拡散材料中を拡散する金属イオンを前記イオン拡散材料に与え、前記入力用電極に印加される電圧によって前記イオン拡散材料中における金属イオンの拡散とその核形成を複数の入力によって制御して動作する３端子型素子であって、核形成した金属によって前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に接続されるニューロン動作素子が与えられる。
ここで、前記核形成した金属を流れる電流による加熱現象によって前記第１の電極と前記第２の電極との間の電気的接続が消滅してよい。
また、前記入力用電極は銅、銀及びリチウムからなる群から選択された少なくとも一の元素を含んでよい。
また、前記入力用電極は銅、銀及びリチウムからなる群から選択された金属または前記群から選択された少なくとも一の金属を含む合金であってよい。
また、前記入力用電極は電極と、前記金属イオンを含有し、前記電極に印加された電圧によって前記金属イオンを前記イオン拡散材料に供給する層とを設けてよい。
また、前記イオン拡散材料が金属酸化物であってよい。
また、前記酸化物材料がシリコン酸化物、チタン酸化物、タンタル酸化物及びタングステン酸化物からなる群から選択された一の酸化物または選択された複数の混合酸化物であってよい。
また、前記イオン拡散材料が固体電解質材料であってよい。
また、前記固体電解質材料が硫化物、セレン化合物及びヨウ化物から選択された一の化合物または選択された複数の混合化合物であってよい。
また、前記硫化物は硫化銀及び硫化銅からなる群から選択された少なくとも一であってよい。
また、前記セレン化合物はセレン化銀及びセレン化銅からなる群から選択された少なくとも一であってよい。
また、前記ヨウ化物はヨウ化銀、ヨウ化銅及びヨウ化ルビジウム銀からなる群から選択された少なくとも一であってよい。
また、前記入力用金属電極から見た第１の電極１と第２の電極との配置が非対称であってよい。
また、前記絶縁物材料を介して配置された前記出力用の第１の電極と第２の電極との間隔が１ナノメートル以上１０ナノメートル以下であってよい。
また、前記イオン拡散材料の膜厚が５ナノメートル以上、４０ナノメートル以下であってよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来は複数個の素子を組み合わせた回路を必要としていたニューロン動作を単一素子によって実現できるようになるという大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ニューロン動作の概念図。
【図２】ニューロン動作回路の概念図。
【図３】本発明によるニューロン動作の模式図。
【図４】繰り返し電圧走査による発火現象を再現した実験結果を示す図。
【図５】発火現象の自己終了を再現する素子構造の模式図。
【図６】発火現象の自己終了を再現した実験結果を示す図。
【図７】ニューロン動作素子の作製プロセスを示す模式図。
【図８】入力を繰り返すことによる時定数の変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のニューロン動作素子は特許文献１に示された電気化学トランジスタを応用したものであり、その基本的な構造としては、イオン拡散材料を挟んで一方に入力用金属電極を配置し、もう一方には絶縁物材料を介して出力用の２つの電極を配置することで、３端子型構造を形成したものである。入力用金属電極の金属材料としては銅、銀、リチウム、あるいはこれらを少なくとも一つ含む合金などを使用できる。イオン拡散材料としては、シリコン酸化物、チタン酸化物、タンタル酸化物、タングステン酸化物等の金属酸化物、これらの混合物等を使用することができる。
【００１２】
また、入力用金属電極からイオン拡散材料に金属イオンを供給する代わりに、特許文献１に示されているように、電極近傍に金属イオンを含有する層を形成し、入力電極によって印加された電圧によってイオン含有層から金属イオンをイオン拡散材料に供給することもできる。この場合においても入力用金属電極と同じイオン種類の金属イオンを供給することができる。このような電極と金属イオンを含有する層とを組み合わせたものを前述の入力用金属電極と対応付けることで、両者を統一された概念で把握することができる。本願においては入力用電極という用語で金属電極及び電極と金属イオンを含有する層との組み合わせとしての電極の両方を指すものとする。
【００１３】
出力用の電極の材料としては以下で実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明するが、当然ながら、本発明はこれら実施例の特定の構造・動作に限定されるものではない。
【実施例】
【００１４】
［実施例１］
図３は、実施例１のニューロン動作素子の構造を概念的に示す模式図である。図３に示す例では、イオン拡散材料として酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を、入力用金属電極材料として銅（Ｃｕ）を、出力側の２つの電極である電極１及び電極２の材料として白金（Ｐｔ）を用いている。また、電極１と電極２とを絶縁する材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いている。また、本願明細書の実施例においては、入力用金属電極材料として銅を使用し、これによりイオン拡散材料を拡散する金属イオンが銅イオンであるとして説明するが、銀イオン等の別のイオンや複数の金属イオンが混合した混合イオン等の金属イオンを拡散させても同様なニューロン動作を行わせることができることに注意されたい。イオン拡散材料等の他の材料についても同様である。
【００１５】
この構造の素子の入力用金属電極に正の電圧を印加すると、入力用金属電極を構成する銅原子が酸化（イオン化）されてイオン拡散材料である酸化タンタル中に供給される。酸化タンタル中に供給された銅イオンは、入力用金属電極に正の電圧が印加されている間、同電圧の印加に伴って酸化タンタル中に誘起された電界によって、電極１および電極２に向かって酸化タンタル中を拡散する。その結果、酸化タンタル中の銅イオン濃度は、電極１および電極２に近いほど高くなる。入力用金属電極への正の電圧印加を止めると、酸化タンタル中に供給された銅イオンは、酸化タンタル中における分布を均一にしようと拡散する。入力用金属電極に正の電圧を印加する度に、この濃度変化が起こることになる。金属イオンの拡散速度は有限であり、平衡状態に近づくほどその速度は遅くなる。この結果、電極１と電極２の近傍の金属イオン濃度は、図１に示したニューロンの内部ポテンシャルの変化と同様の挙動を示す。
【００１６】
入力用金属電極への正の電圧印加を繰り返すと、酸化タンタル中の銅イオンの総量が増え、電極１および電極２近傍における銅イオン濃度が核形成に必要な値に達する。電極１と電極２を絶縁する酸化シリコンの膜厚（電極１と電極２の間隙）を薄くすることにより、電極１と電極２を絶縁する酸化シリコン近傍でも核形成に必要な値に銅イオン濃度が上昇する。このため、核形成は電極１と電極２の間隙でも起こり、核形成した銅原子クラスターによって電極１と電極２が電気的に接続される。その結果、電極１の電位が電極２に出力される。
【００１７】
なお、酸化シリコンの膜厚が１０ナノメートルよりも厚い場合には、核形成に必要な濃度にまで銅イオンを電極１と電極２の間隙に集めることは難しい。その理由は次の通りである。銅イオンは、入力用金属電極に印加した電圧によって、入力用金属電極、電極１、電極２間に形成される電界によって酸化タンタル中を拡散する。このため、電極１と電極２の間隙が広くなると、当該間隙近傍に銅イオンが拡散するための十分な電界が働かなくなる。その結果、当該間隙で銅の核形成が起こらなくなってしまう。入力用金属電極に印加する電圧を大きくすれば良いようにも思われるが、実験を繰り返した結果、酸化シリコンの膜厚が１０ナノメートルを超える場合には、印加電圧を増大していくと、銅の核形成が起こる前に酸化タンタル層の絶縁破壊が起こってしまうことが判明した。酸化タンタルの膜厚を厚くすれば、耐絶縁性を確保できるが、核形成を誘起するための電圧が大きくなってしまうという問題が発生する。例えば、酸化タンタルの膜厚が４０ナノメートルを超えると、１００Ｖ以上の電圧を印加する必要がある。１００Ｖ以上の電圧を印加することは現実的ではないことから、酸化タンタルの膜厚は４０ナノメートル以下であることが望ましい。
【００１８】
一方、酸化シリコンの膜厚を１ナノメートルよりも薄くすると、トンネル電流が電極１と電極２の間に流れ始め、絶縁性が確保できなくなる。このため、酸化シリコンの膜厚は１ナノメートル以上であることが必要である。
【００１９】
さらに、核形成が起こった状態でも入力用金属電極は電極１及び電極２と絶縁されている必要がある。この絶縁性を確保するためには、酸化タンタルの膜厚が５ナノメートル以上必要であることが分かった。
【００２０】
以上が、入力用金属電極への正の電圧印加を繰り返すことで銅イオンの濃度変調を実現し、電極１と電極２の間隙に銅原子のクラスターを核形成させる動作及びその際に必要な条件である。
【００２１】
次に、出力（発火現象）終了動作を説明する。
【００２２】
電極１の電位を１Ｖ程度以上に設定しておくと、電極１と電極２を電気的に接続した銅原子クラスターにミリアンペア程度の電流が流れ、同電流によるジュール熱で銅原子クラスターが熱溶解する。すなわち、銅原子クラスター自身を流れる電流によって銅原子クラスターが消滅し、電極２に出力されていた電極１の電位も出力されなくなる。
【００２３】
上記一連の動作は、まさに、図１に示したニューロン動作に対応している。本発明では、イオン拡散材料中における金属イオンの拡散とその核形成、ならびに、核形成によって形成された金属原子クラスターが自身を流れる電流によって熱溶解するという発見に基づき、単体素子によるニューロン動作を実現した。
【００２４】
図４により、図３に示したニューロン動作素子の動作結果の一例を説明する。ここで、図４のグラフの下部に示すように、入力用金属電極に正の電圧（最小値０Ｖ，最大値１Ｖの三角波）を入力信号として印加した。また、電極１の電位は１ｍＶに設定した。
【００２５】
８回目までの三角波入力では、電極１と電極２の間に流れる電流は、測定に用いた計測系のノイズレベルであった。すなわち、電極１と電極２は高い絶縁状態にあった。その後、９回目の三角波入力の途中で、電極１と電極２の間に流れる電流値が突然大きくなった。これは、酸化タンタル中に供給された銅イオンが電極１と電極２の間隙で核形成を起こしたことに対応している。ただし、電極１と電極２の間の抵抗値は１ＭΩ程度と高かった。これは、形成された銅原子クラスターは小さく、電極１と電極２とを完全に架橋するまでには至っていなかったためである。つまり、電極１と電極２とは、形成された銅原子クラスター及び微細なトンネルギャップを介して接続されている状態であった。なお、トンネルギャップとはナノメートル程度の間隔のことであり、量子力学的効果によってこのギャップを介してナノアンペア（１０−９アンペア）程度の電流を流すことができる。測定された電流値は、まさにその程度であった。
【００２６】
この実施例では、電極１の電位を１ｍＶと小さい値に設定したため、形成された銅原子クラスターに流れる電流はナノアンペア程度と小さく、銅原子クラスターの熱溶解現象は起こらなかった。すなわち、核形成後も電極１と電極２との間の電気的接続は保たれた。この動作は、ニューロンでは「発火現象の持続」に相当し、生物では、減衰することのない長期記憶の実現に用いられている。
【００２７】
以上から、本発明によれば、イオン拡散材料中における金属イオンの拡散とその核形成を制御することでニューロン動作を再現できること、電極１の電位を小さくしておくことで、「発火現象の持続」が可能であることがわかる。なお、上記実施例では、入力信号として三角波を用いたが、矩形のパルスを用いることでも同様の動作を実現できることは言うまでもない。ただし、発火現象を引き起こすまでの入力回数は、パルスの高さや幅、パルスの入力間隔などに依存する。
【００２８】
なお、生物でも、長期記憶が減衰・消滅することがある。これに相当する現象を本発明に基づくニューロン動作素子でも実現可能である。すなわち、入力用電極に負の電圧を信号として印加するだけでよい。入力用電極に負の電圧を印加すると、入力用電極からイオン拡散材料中に電子が注入される。注入された電子の一部は、電極１と電極２の間隙に形成された銅原子クラスターを経由して、電極１と電極２に流れていくが、その際、銅原子クラスターを構成する銅原子がイオン化されてイオン拡散材料中に溶け込んでいく。その結果、銅原子クラスターが消滅して発火現象が終了することとなる。熱溶解による消滅が一瞬で起こるのに対して、上述のイオン化による方法では銅原子クラスターが徐々に小さくなることで消滅する。このため、例えば、数十ミリボルト程度の小さな負極性の電圧を印加し続けることで、いわゆる記憶の減衰現象を実現することもできる。
【００２９】
［実施例２］
本実施例は、発火現象の自己終了を実現するための別のニューロン動作素子の構造及び動作を示す。図５に、発火現象の自己終了を実現するための素子構造を模式的に示す。イオン拡散材料を挟んで、その一方（図では上部）に入力用金属電極が配置されている。もう一方（図では下部）には電極１及び電極２が両者の間に絶縁性薄膜を介して配置されている。
【００３０】
この実施例では、入力用金属電極から見た電極１と電極２の配置が非対称になっていて、入力用金属電極と電極１、電極２との間の距離が互いに異なっている。このため、電極１の近傍と電極２の近傍の金属イオン濃度を同程度にしようとした場合、入力用金属電極から遠方にある電極１の電位を入力用金属電極に近い電極２の電位よりも高くすることで、金属イオンを引きつける必要が生じる。その結果、この非対称性により、電極１と電極２の間に大きな電位差を与えることができる。電極１と電極２との間の電位差は、各電極の配置（非対称性や各電極間の距離）に依存して設定可能な範囲が決まる。例えば、イオン拡散材料として酸化タンタルを用いた場合、入力用金属電極と電極１との間の距離が２５ナノメートル、入力用金属電極と電極２との間の距離が２０ナノメートルとすると、１Ｖ程度の電位差を与えることができる。酸化タンタルの膜厚を厚くするか、あるいは距離の差を大きくすることで、さらに大きな電位差を設けることも出来るし、材料の選択によっても設定可能な電位差を制御することができる。ここで重要なことは、電極配置に非対称性を導入することによって、電極１と電極２との間に、不応期移行に必要な（つまり、電極１−電極２間に流れる電流によるジュール熱のために銅原子クラスターの熱溶解・消滅が起こるのに十分な）電位差を設けることが可能になることである。
【００３１】
なお、［実施例１］の項で述べた理由により、本実施例でも、酸化タンタルの膜厚は５ナノメートル以上、４０ナノメートル以下であることが望ましく、電極１と電極２を絶縁する絶縁性薄膜の厚さは、１ナノメートル以上、１０ナノメートル以下であることが望ましい。
【００３２】
図６に、発火現象の自己終了を実現した実験結果の一例を示す。本実施例では、電極１と電極２の間に１Ｖの電位差を与えた。実施例１と同様の三角波の信号を入力した。その結果、８回目の三角波入力の最中に電極１と電極２との間に流れる電流が１ミリアンペア程度に増大した。この電流値の変化から換算すると、電極１と電極２の間の抵抗値は、１０ＧΩ程度から１ｋΩ程度に小さくなったことになる。すなわち、核形成した金属クラスターによって電極１と電極２との間の電気的接続が確立されたことになる。
【００３３】
さらに本実施例では、発火の直後に電流が減衰していることがわかる。これは、１ミリアンペアの電流によって金属クラスター自身が加熱されて熱溶解し、消滅したことに対応している。すなわち、ここでは上述の「発火現象の自己終了」に相当する現象が起こっていることがわかる。
【００３４】
以上説明した様に、本発明を用いれば、素子構造に非対称性を導入することで、発火現象の自己終了も含めた一連のニューロン動作が再現できる。
【００３５】
［実施例３］
本実施例は、実施例２で説明した非対称性を有するニューロン動作素子の作製方法の一例を示す。まず、電極１と電極２を構成するＰｔ／Ｔｉ薄膜（Ｐｔ層及びＴｉ層からなる二層構造の薄膜）とそれらを絶縁するシリコン酸化膜とからなる多層膜を形成する（図７（ａ））。次に、ドライエッチングなどの加工手法を用いて、多層膜の断面を露出させる（図７（ｂ））。この露出させた断面に対して、酸化タンタルなどのイオン拡散材料を成膜する。このとき、吹きだまり構造となっている多層膜の下部では、特別な制御をしなくても、イオン拡散材料の膜厚が厚くなる（図７（ｃ））。さらに入力用金属電極を構成する銅の薄膜（図７の「Ｃｕ」）を形成することで、銅の薄膜Ｃｕと下側の電極１との距離は銅の薄膜Ｃｕと上側の電極２との距離よりも大きくなる。このようにして、非対称性を有するニューロン動作素子を簡単に作製することができる。
【００３６】
本実施例では、吹きだまり現象を利用することで素子構造に非対称性を導入したが、電極配置に非対称性を導入した微細加工パターンを予め設計しておくことでも良い。大切なことは、入力電極から出力用の２つの電極への距離が異なるという非対称性を素子構造に導入することである。なお、実施例１で述べた様に、「発火現象の自己終了」を必要としないニューロン動作を再現する上では、非対称性の導入は不要である。
【００３７】
［実施例４］
本実施例は動作電圧のイオン拡散材料依存性を示す。
【００３８】
イオン拡散材料として、シリコン酸化物、チタン酸化物、タンタル酸化物、タングステン酸化物、硫化銀、ヨウ化銀を用いた。また、入力電圧として三角波を用いた。いずれも、膜厚２０ナノメートルの薄膜を用いた。ニューロン動作を実現するために必要な入力電圧（最大電圧値）、発火現象の自己終了を実現するために必要な電極１と電極２の間の電位差を測定した。各材料に対する測定結果を表１に示す。ニューロン動作は、入力電圧だけではなく、入力回数や入力頻度にも依存する。このため、表１には、ニューロン動作が可能な電圧範囲を示してある。
【００３９】
【表１】
2015146373.tif 000003
【００４０】
金属酸化物を用いた場合には、必要な電圧は概ね０．５Ｖ以上、数Ｖ未満であり、硫化物などを用いた場合には、必要な電圧は概ね０．０１Ｖ以上、１Ｖ未満であった。ただし、膜厚を薄くすれば必要な電圧値は下がり、膜厚を厚くすれば高い電圧値でのニューロン動作が可能になる。一方、発火現象の自己終了を実現する電圧値にはイオン拡散材料による依存性はあまりなく、概ね０．１Ｖ程度から２Ｖ程度であった。なお、この値もイオン拡散材料の膜厚や電極１と電極２との間隔等によって変化する。
【００４１】
［実施例５］
本実施例は、ニューロン動作を繰り返して行うための素子動作について説明する。
【００４２】
本発明の素子の発火現象の自己終了は、銅原子クラスターが熱溶解することで実現される。この熱溶解現象によって銅原子クラスターを形成していた銅原子はイオン化され、酸化タンタルなどのイオン拡散材料中にイオンとして溶け込み、時間の経過とともにイオン拡散材料中で均一に分布していく。その結果、電極１と電極２との間隙における銅イオン濃度は、核形成に必要な濃度よりも小さくなって行く。この発火現象の自己終了後に新たな信号を入力すれば、銅イオンは電極１および電極２の近傍に向かって拡散していき、上で説明した現象を再び起こすことが可能となる。すなわち、ニューロン動作を繰り返し行うことができる。
【００４３】
なお、入力用電極からイオン拡散材料に供給可能な銅イオン数を制限することで、ニューロン動作の繰り返し耐性を向上させることができる。具体的には、入力用電極として、
１）数ナノメートル厚さの銅薄膜を白金で被覆したものを用いる構成、
２）硫化銀薄膜などの固体電解質材料を用いる構成
等によって実現できる。要は、イオン拡散材料中にイオンとして拡散可能な金属材料からなる部分を数ナノメートル程度の薄膜にするか、内包する金属イオンの一部しかイオン拡散材料中に送り込むことが出来ない固体電解質材料を用いれば良い。
【００４４】
［実施例６］
本実施例では、同一のニューロン動作素子でありながら、時定数が変化する原理を説明する。入力電極に信号が入力されている場合の電極１と電極２の間隙における銅イオン濃度は、入力電圧とイオン拡散材料中に注入された金属イオンの総数の関数である。すなわち、入力電圧が大きいほど、金属イオンの総数が多いほど、電極１と電極２の間隙における銅イオン濃度は高くなる。入力電圧の印加を止めると、イオン拡散材料中の金属イオンは均一な分布となるべく拡散する。このとき、入力電圧が大きいほど電圧印加中の濃度勾配が大きくなるため、電圧印加を止めた後の均一な分布になるための拡散速度も速くなる。すなわち、時定数が小さくなる。逆に、入力電圧が小さいと濃度勾配も小さくなり、拡散速度が遅くなる（時定数が大きくなる）。一方、入力電圧が同じでも、入力を繰り返すことでイオン拡散材料中の金属イオンの総数が増えると、拡散が容易ではなくなるため、時定数が大きくなる。このような理由から、本発明に基づくニューロン動作素子では、用いる電圧や過去の入力履歴に依存して時定数が変化する。図８に、入力を繰り返すことで時定数が変化する様子を観測した実験結果を示す。
【００４５】
なお、イオンの量が同じであっても、その分布の仕方によって、拡散速度が変化する。例えば、電極１と電極２の近傍にのみイオンが集中していれば、局所的な濃度勾配が高くなり、拡散速度が速くなる。一方、同じイオン量であっても、イオン拡散材料中での濃度勾配が均一であれば、拡散は遅くなる。イオンの動きはイオン量とその分布の関数であり、素子の出力電圧をＶとするとき、
Ｖ＝Ｖ０ｅｘｐ（−ｔ／τ）
で記載した場合の時定数τが変化していく実験結果が得られている。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上説明したように、本発明によればニューロンに相当する動作を簡単な構造の素子を用いて行うことができるため、神経回路網と類似した動作・機能を容易にかつ小型化された形態で実現することができるなど、産業上大いに利用されることが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４７】
【特許文献１】特開２０１２-０６９６１２号公報
【非特許文献】
【００４８】
【非特許文献１】ネイチャー第453巻、80頁-83頁（2008年）（Nature, 453, 80-83(2008)）
【非特許文献２】IECON02(IEEE 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, 2002年11月5日〜8日開催)のプロシーディング集第４巻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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