Development of artificial neural circuits based on solid-state ionics

リチウム（Li）イオン伝導体のリチウムリン酸窒化物（LiPON）上にLiイオンと電子の混合伝導体であるコバルト酸リチウム（LCO）チャネルを1次元配列させた、神経細胞（ニューロン）の側方抑制を模倣する素子を構築した。チャネルに電圧パルスを印加しときの起こるLiPON中のLiイオン移動とLCOチャネルへのインターカレーション/デインターカレーションにより入力電圧パターンの境界（エッジ）付近で出力のチャネル電流対比が増大し、錯視のマッハバンド効果を再現する。この特性を利用して画像信号を入力すると、明暗のエッジ検出が材料特性だけで可能となることを見い出した。LiPON/LCO素子ではチャネル電流変化の時定数が10秒以上あり、視覚素子応用には応答速度が遅い。異なるアプローチとして、プロトン伝導体のキトサン上に酸化インジウム亜鉛チャネルを1次元配列したニューロン素子を作製した。高いプロトン伝導性により、チャネル電流変化の時定数は100ミリ秒以下に低減できた。これは一般的なカメラのフレームレートより速い。この結果は素子性能を材料特性によって劇的に向上できることを示唆しており、当初予想していなかった新しい成果である。微細加工プロセスに必要な平坦な薄膜形成の手段として、Li固体電解質の原子層堆積（ALD）成膜を目指している。リン酸リチウムへの窒素ドープ（窒化）に必要なアンモニア（NH3）プラズマの条件出しを行った。その結果、5%以上の窒化が可能なNH3ガスの投入量範囲を特定し、イオン伝導度が室温で1×10-6 S/cm程度まで向上することを確認した。

リチウム（Li）イオン伝導体のリチウムリン酸窒化物（LiPON）上にLiイオンと電子の混合伝導体であるコバルト酸リチウム（LCO）チャネルを1次元配列させた、神経細胞（ニューロン）の側方抑制を模倣する素子を構築した。チャネルに電圧パルスを印加しときの起こるLiPON中のLiイオン移動とLCOチャネルへのインターカレーション/デインターカレーションにより入力電圧パターンの境界（エッジ）付近で出力のチャネル電流対比が増大し、錯視のマッハバンド効果を再現する。この特性を利用して画像信号を入力すると、明暗のエッジ検出が材料特性だけで可能となることを見い出した。LiPON/LCO素子ではチャネル電流変化の時定数が10秒以上あり、視覚素子応用には応答速度が遅い。異なるアプローチとして、プロトン伝導体のキトサン上に酸化インジウム亜鉛チャネルを1次元配列したニューロン素子を作製した。高いプロトン伝導性により、チャネル電流変化の時定数は100ミリ秒以下に低減できた。これは一般的なカメラのフレームレートより速い。この結果は素子性能を材料特性によって劇的に向上できることを示唆しており、当初予想していなかった新しい成果である。微細加工プロセスに必要な平坦な薄膜形成の手段として、Li固体電解質の原子層堆積（ALD）成膜を目指している。リン酸リチウムへの窒素ドープ（窒化）に必要なアンモニア（NH3）プラズマの条件出しを行った。その結果、5%以上の窒化が可能なNH3ガスの投入量範囲を特定し、イオン伝導度が室温で1×10-6 S/cm程度まで向上することを確認した。