個人認証装置及び個人認証システム

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【発明の名称】	個人認証装置及び個人認証システム
【発明者】	【氏名】田中千加【氏名】山内尚【氏名】西義史
【要約】	【課題】登録データの数値変換を必要としない直接的な記録ができ、且つ個人認証のプロセスの中で起こり得る不正な読み出し及び盗難から登録データを防御する。【構成】半導体基板２１又は導電性基板上に形成された、被認証者の生体情報を画像パターンとして記録する記録部２２と、複数の量子ドット２５を有し記録部２２上に形成され、生体情報を認識する認識部と、認識部上に形成され、生体情報に応じて認識部の量子ドット２５と基板２１との間に電流を流すための配線部とを具備した個人認証装置であって、被認証者の生体の表面パターンを撮像して得られる撮像信号に応じた電気信号を配線部に印加することにより、記録部２２に生体パターンの直接的な記録を行う。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板又は導電性基板上に形成された、被認証者の生体情報を画像パターンとして記録する記録部と、
複数の量子ドットを有し前記記録部上に形成され、前記生体情報を認識する認識部と、
前記認識部上に形成され、前記生体情報に応じて前記認識部の量子ドットと前記基板との間に電流を流すための配線部と、
を具備し、
前記被認証者の生体の表面パターンを撮像して得られる撮像信号に応じた電気信号を前記配線部に印加することにより、前記記録部に生体パターンの直接的な記録を行うことを特徴とする個人認証装置。
【請求項２】
前記認識部は、
前記記録部上に形成され、前記基板の表面に対して垂直方向に貫通する複数の孔を有する多孔質絶縁膜と、
前記多孔質絶縁膜の孔内に該孔の途中まで埋め込み形成され、金属粒子が分散された絶縁層からなる共鳴トンネル絶縁膜と、
前記共鳴トンネル絶縁膜上に形成され、前記量子ドットを成す金属層と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の個人認証装置。
【請求項３】
前記認識部は、
前記記録部上に形成され、前記基板の表面に対して垂直方向に貫通する複数の孔を有する多孔質絶縁膜と、
前記多孔質絶縁膜の孔内に該孔の途中まで埋め込み形成され、電流電圧特性にヒステリシス特性を持つ強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に形成され、前記量子ドットを成す金属層と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の個人認証装置。
【請求項４】
前記認識部は、
前記記録部上に形成され、前記基板の表面に対して垂直方向に貫通する複数の孔を有する多孔質絶縁膜と、
前記多孔質絶縁膜の孔内に該孔の途中まで埋め込み形成された抵抗体膜と、
前記抵抗体膜上に形成され、前記量子ドットを成す金属層と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の個人認証装置。
【請求項５】
前記抵抗体膜と量子ドットとの間に、金属粒子が分散された絶縁層からなる共鳴トンネル絶縁膜が挿入されていることを特徴とする請求項１記載の個人認証装置。
【請求項６】
前記量子ドットは、磁性体材料で形成されていることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の個人認証装置。
【請求項７】
前記配線部は、前記撮像信号の１画素分が１個又は複数個の量子ドットに与えられるように設けられていることを特徴とする請求項１～６の何れかに記載の個人認証装置。
【請求項８】
前記記録部は、前記電気信号に応じた電流により絶縁破壊を生じる絶縁体膜から構成されていることを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の個人認証装置。
【請求項９】
前記記録部は、前記電気信号に応じた電流により結晶状態が変位する相変化膜から構成されていることを特徴とする請求項１～７の何れかに記載の個人認証装置。
【請求項１０】
前記撮像信号の特徴点を一時的に記録しておく記録バッファ部を更に有し、個人認証を行うために再入力された撮像信号の特徴点と前記記録バッファ部に記録された撮像信号の特徴点との照合を行い、照合結果に基づいて前記撮像信号の変換を行った後、変換された撮像信号を前記配線部に印加することを特徴とする請求項１～１０の何れかに記載の個人認証装置。
【請求項１１】
請求項１～１０の何れかに記載の個人認証装置と、
被認証者の指をセットするための検査台と、
前記検査台にセットされた被認証者の指を照明する光源と、
前記照明された指を撮像するイメージセンサと、
前記イメージセンサで検出された検出信号を前記配線部に与える手段と、
前記検出信号と前記記録部に記録された生体パターンの情報とを照合する照合手段と、
を具備したことを特徴とする個人認証システム。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、被認証者の生体の特徴を用いて被認証者の固体情報を記録し、被認証者が登録されている個人か否かの認証を行う個人認証装置及び個人認証システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、重要な施設の入退室管理を目的として、或いはコンピュータネットワークにおけるパスワード入力に代わるものとして、被認証者が予め登録されている個人か否かの認証を行う個人認証装置への関心が高まっている。
【０００３】
個人認証には様々な方式が提案されているが、例えば指紋認証に係わる登録／認証には次のようなアルゴリズムが用いられている。被認証者の生体の特徴パターンを電気信号として読み取り、画像に変換する。その画像からさらに特徴点を抽出し、数値データとして登録する。そして、登録時と同様の手段で入力した個人の生体の特徴パターンからの特徴点と予め登録されている各個人の特徴パターンを比較照合することによって、被認証者が登録されている個人か否かの認証を行う。
【０００４】
この従来アルゴリズムによる個人認証装置では、登録データを数値として保存しているため、登録データから個人情報を容易に複製可能という欠点がある。他の生体認証、例えば静脈認証の場合に関しても同様である。
【０００５】
また、従来方式の個人認証装置は、読み取った生体の特徴パターンをイメージセンサやＣＣＤなどの画像処理素子に入力して画像を得るため、認証の精度は画素数に依存している。従って、高い精度の個人認証装置を得るためには、画素数の高い素子を用いることが必要であり、高度な微細加工技術が必要となる。
【０００６】
このような欠点を解決するために、特に画素数に依らず画像のエッジ強調が可能な画像処理素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。エッジ強調には、ニューラルネットワークの原理を用いている。多入力－出力されるニューラルネットワークは、基本的には、脳に代表される神経系を人工的に作製したものである。神経細胞の基本構造としては、細胞体と呼ばれる本体の部分、本体から樹状に突き出た多数の樹状突起と呼ばれる部分、軸索と呼ばれる一本の長い線維の部分である。細胞体は情報処理素子であり、樹状突起は、一本一本が他の細胞体の軸索突起とシナプスと呼ばれる結合部分を介して結びついている。即ち、細胞体部分に複数の入力信号が入ってくることになる。そして、軸索突起からは、一つの出力を出していることになる。
【０００７】
このような多入力－出力を行う情報処理素子を複数接続することによって、ニューラルネットワークを構成することが可能となる。また、細胞体の部分は、入力信号に対してシグモイド関数的な出力を行っており、簡単には、ある閾値レベル以上の入力信号に対しては出力を行い、それ以下の入力信号に対しては出力をしないという非線形的な振る舞いをしていることが、もう一つの大きな特徴である。よって、情報処理素子は、入力信号に対して非線形的な振る舞いをしていることも必須である。このようなニューラルネットデバイスを画像処理に応用した場合、入力画像データに対して、フィルター的な振る舞いをすることになり、画像のエッジ強調が可能となる。
【０００８】
しかしながら、この方式の情報処理素子を個人認証装置用の素子に応用する場合、依然として登録には数値変換が必要であり、個人情報の不正読み出しを防止することはできない問題があった。
【非特許文献１】S. Bandyopadhyay, et al., IEEE Proc.-Circuits Devices Syst., 152, 85, 2005）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように従来の個人認証装置においては、生体の特徴パターンを電気信号として読み取り、画像に変換した後に特徴点を抽出し、数値データとして登録している。つまり、登録データを数値として保存しているため、登録データから個人情報を容易に複製可能という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、登録データの数値変換を必要としない直接的な記録ができ、且つ個人認証のプロセスの中で起こり得る不正な読み出し及び盗難から登録データを防御することが可能な個人認証装置及び個人認証システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１２】
即ち、本発明の一態様は、半導体基板又は導電性基板上に形成された、被認証者の生体情報を画像パターンとして記録する記録部と、複数の量子ドットを有し前記記録部上に形成され、前記生体情報を認識する認識部と、前記認識部上に形成され、前記生体情報に応じて前記認識部の量子ドットと前記基板との間に電流を流すための配線部と、を具備した個人認証装置であって、前記被認証者の生体の表面パターンを撮像して得られる撮像信号に応じた電気信号を前記配線部に印加することにより、前記記録部に生体パターンの直接的な記録を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の別の一態様は、上記構成の個人認証装置を用いた個人認証システムであって、上記の個人認証装置に加え、被認証者の指をセットするための検査台と、前記検査台にセットされた被認証者の指を照明する光源と、前記照明された指を撮像するイメージセンサと、前記イメージセンサで検出された検出信号を前記配線部に与える手段と、前記検出信号と前記記録部に記録された生体パターンの情報とを照合する照合手段と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、量子ドットを有する認識部の作用により、被認証者の生体パターンに対して自動的にエッジを強調して特徴点を検出できるため、生体の特徴パターン検出の精度向上が見込まれる。さらに、記録部に個人の特徴点を直接書き込むことから不正読み出しに対する防御機能を備える工夫ができる。即ち、登録データの数値変換を必要としない直接的な記録ができ、且つ個人認証のプロセスの中で起こり得る不正な読み出し及び盗難から登録データを防御することができ、セキュリティの高い個人認証が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明の実施形態を説明する前に、本発明の特徴部分である認識部における量子ドットについて説明しておく。
【００１６】
量子ドットとは、伝導の全ての方向において電子がド・ブロイ波長程度に閉じ込められた状態を指し、金属や半導体を数～数十ｎｍ程度の大きさに加工することによって作られる。図１の平面図及び図２の断面図に示すように、電子３は量子ドット１からウエル（絶縁膜）２を通して、隣の量子ドット１にトンネルすることが可能である。そのため、本発明に係わる量子ドット群は、図３に示すような抵抗４のネットワークを構成していることになる。
【００１７】
また、本発明の認識部を構成する量子ドットは、絶縁膜等の記録層上に直接形成されるのではなく、量子ドットと記録層との間に金属微粒子が分散された絶縁層５が挿入されているのが望ましい。金属微粒子が分散された絶縁層において、例えば共鳴トンネルのような非線形な電流電圧特性を生じ、図１及び図２に示すウエル部分が細胞体の役目となり、抵抗ネットワークで結び付けられたニューラルネットワークを構成している。
【００１８】
つまり、量子ドット群における各量子ドットは、例えば神経回路におけるシナプスの役割を果たすように構成される。神経回路では、シナプスに入力された信号が細胞の中で積和演算され、例えばシグモイド関数のような非線形な関数として軸策突起を通って出力され、次の細胞に入力される。神経回路をデバイスとして実現するために、本発明では量子ドット群を用いる。各量子ドットがシナプスの役割を担っており、重み付けによる情報の分類は各量子ドット間の抵抗ネットワークを介して行われる。
【００１９】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態に係わる個人認証システムを示す概略構成図であり、図５は１つの量子ドット群を示すセルの断面図である。ここで、セルの複数個から量子ドットネットワークセル（個人認証装置）が構成されるものとなっている。
【００２１】
図４に示すように個人認証システムは、被認証者の指（被検体）１０を押し付けるためのガラス体１１、被検体１０を照明するためのＬＥＤ等の光源１２、被検体１０からの反射光を受光して撮像するＣＤＤイメージセンサ等の受光素子１３、受光素子１３の検出信号が与えられる量子ドットからなるネットワークセル１５等を含んで構成されている。
【００２２】
被認証者の指１０がガラス体１１に押し付けられた状態で、ＬＥＤ１２により照明すると、指１０からの反射光が受光素子１３で検出され、被検体の画像情報が得られる。この画像情報は、量子ドットネットワークセル１５に導かれる。具体的には、ＣＤＤイメージセンサ１３の各画素毎の電気信号がネットワークセル１５内の量子ドットにそれぞれ供給される。ここで、イメージセンサ１３の１画素分が図示しない配線により複数の量子ドットに接続されるものとする。
【００２３】
図５に示すように個人認証装置は、シリコン基板（半導体基板）２０と、シリコン基板２０上に形成された絶縁体層から成る記録部２１と、生体情報を認識するための認識部３０とから構成されている。認識部３０は、記録部２１上に形成された絶縁体ナノピラー（多孔質絶縁膜）３１と、絶縁体ナノピラー３１の孔内に積層された金属微粒子が分散された絶縁層３２と、絶縁体ナノピラー３１の孔内の絶縁層３２上に堆積された金属層（量子ドット）３３が形成する量子ドット群から構成されている。
【００２４】
図には示さないが、量子ドット３３は、受光素子１３で検出された電気信号が与えられるように、配線により受光素子１３と電気的に接続されている。ここで、受光素子の１画素分の信号が複数の量子ドット３３に与えられるように、複数個の量子ドット３３が１つの配線に共通接続されている。
【００２５】
このような構成において基板２０を接地したとき、ｉ番目の量子ドットに係る電荷平衡は以下の式で表される。
【数１】

【００２６】
ここで、Ｉbi(t) は量子ドットｉの基板電流、ｖi は量子ドットの電圧、Ｃsiは量子ドットと基板間の容量、Ｊijは隣の量子ドットとの電流の差分、Ｊsiは量子ドット下の出力部に流れ込む電流である。
【００２７】
具体的に、例えば入力に電流値を用いると、量子ドット間のカップリングの違いにより各量子ドット下の認識部に入力される電流値が異なり、量子ドット３３と半導体基板２０との間には電圧分布ができる。個人認証に係り、例えば個人の指紋を光学式などの方法を用いて各量子ドット群に入力した場合、光学式では指紋の凹凸を反映した光の反射情報が電流値として入力され、量子ドット群における抵抗のネットワークを介して認識部３０から出力され、電流が記録部２１へ流れることになる。
【００２８】
さらに、各量子ドット３３下の絶縁層３２には、絶縁物中に金属微粒子を分散させた、グラニュラー膜を用いることができる。このようなグラニュラー膜は、膜中の微粒子のカップリングにより、微粒子間に共鳴トンネル電流が流れ、負性抵抗特性を示すことが知られている。そのため、ウエル部分を流れる電流は、細胞体におけるシグモイド関数に相当する非線形な特性を示すことになる。
【００２９】
認識部３０の下には、絶縁体層からなる記録部２１が配置されている。認識部３０を介した電流はピーク電流として大電流が流れた場合に記録部２１の絶縁体層において絶縁破壊を起こすことで、情報の直接記録を行う。絶縁破壊は、例えばＳｉＯ₂の場合、膜厚sub-１ｎｍのとき約１Ｖである。
【００３０】
量子ドット群の作製は、例えば電気化学的な方法を用いた自己組織化成長を用いることができる。絶縁体ナノピラーとしては、例えばアルミナを用いることができる。図６に、絶縁体ナノピラー及び量子ドットの作製方法の概略を示す。
【００３１】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板２０上に記録部としてのシリコン酸化膜２１を形成した後、その上に図６（ｂ）に示すように、１～２μｍの厚みでアルミニウム膜３５を蒸着により形成する。続いて、アルミニウム膜３５を室温で陽極酸化することにより、図６（ｃ）に示すように、ポーラスアルミナ層（絶縁体ナノピラー）３１を形成する。陽極酸化における酸化雰囲気の条件でアルミナ層３１の孔の大きさを制御することができるが、例えば１５％の硫酸雰囲気で約１０ｎｍ間隔でランダムに孔が配置されることになる。
【００３２】
次に、図６（ｄ）に示すように、ポーラスアルミナ層３１の細孔部にグラニュラー膜（絶縁膜）３２を埋め込み形成し、その上部に金属層３３を蒸着する。最後にポーラスアルミナ層３１の上部をエッチングすることにより、図６（ｅ）に示すように、金属層（量子ドット）３３を表面上に配置することができる。
【００３３】
グラニュラー膜３２には、例えば絶縁体にＳｉＯ_{2 や}アルミナ、金属粒子にＣｏ，Ｐｔ，Ｃｒ，ＣｄＳなどを用いることができ、分子線エピタキシーや多層蒸着法により作製できる。細孔中に作られたグラニュラー膜では、粒界において絶縁体－金属－絶縁体構造をとるため、多重トンネル接合とみなすことができ、負性抵抗特性は室温で十分に動作できることを確認している。
【００３４】
図７は、認識部３０を構成している絶縁層３２が示す電流電圧特性を示す。測定に用いた材料は、アルミナ中にＣｄＳを分散させたものであり、膜厚は１０ｎｍである。図７から分かるように、共鳴トンネル特性を示している。各量子ドットとしてドット径１０～２０ｎｍの量子ドットを考えると、ピーク電流におけるバイアス電圧として約１Ｖと見積もることができ、記録信号として十分動作可能であることを確認している。
【００３５】
なお、絶縁体ナノピラーの配列、グラニュラー膜における微粒子配列は完全なる規則性を有するものではなく、従ってセルとして全く同じものを作製するのは不可能である。逆に言えば、上記の製造方法によって、記録特性の異なる個別のセルを作製できることになる。
【００３６】
次に、本装置を用いた認証動作について説明する。図８は、本実施形態における登録／認証の動作を説明するためのフローチャートである。
【００３７】
まず、被認証者の生態情報の記録を行う。前記図４に示すガラス体１１上に被認証者の指１０をセットし（ステップＳ１）、イメージセンサ１３により指紋の凹凸を検出する（ステップＳ２）。このように、信号検出手段として光学式を用いることにより、被認証者の指紋や静脈の生体情報は光の反射条件により検出され、電気信号として量子ドット群の各電極に順次入力される。即ち、光の情報が電気信号に変換され（ステップＳ３）、量子ドットネットワークに入力される（ステップＳ４）。
【００３８】
次に、画像登録（記録）動作なのか認証動作なのかが判定される（ステップＳ５）。画像登録の場合は、各量子ドット群の各量子ドット間には電位差が生じ、量子ドット間の抵抗ネットワークを介して電流又は電圧分布が生じる。即ち、記録部２１としての絶縁体層上に指紋パターンが直接書き込まれることになり、画像が保存される（ステップＳ６）。このとき、登録データへの数値変換は不要である。
【００３９】
より具体的には、電気信号は、量子ドット群から構成される認識部３０を介して記録部２１に入力される。認識部３０では、入力された信号の積和演算処理を行うことができ、生体情報の入力に対してエッジ強調された信号が記録部２１に入力される。記録部２１には、例えば絶縁体層を用いることで入力信号の大きい箇所から絶縁膜破壊を起こすようにでき、個人の生体情報が直接記録される。
【００４０】
一方、被認証者が登録された個人かどうかを認証する際は、登録時と同様に個人の生体情報を、例えば光学式センサ１３により入力することによって行われる。このとき、記録部２１としての絶縁体層において絶縁破壊が起きた部分には電流パスが形成されているため、絶縁部２１に記録されている情報と一致すれば、大きな電流が流れることになる（ステップＳ７）。ここで、閾値電流Ｉthを適切に設定することによって、登録されている個人か否かの判定を行うことが可能となる。
【００４１】
なお、認証の際に記録部２１の絶縁体層に絶縁破壊が生じるほどの大きな電流が流れると記録情報が破壊されてしまうので、認証の際には絶縁体層の絶縁破壊が生じない程度に入力信号を制御する必要がある。また、受光素子１３からの撮像信号のトータル値が大きいと、被認証者の生体情報が記録部２１に記録されている情報と一致していなくても、比較的大きい電流が流れる可能性がある。そこで、例えば受光素子１３からの撮像信号のトータル値が一定となるように規格化（平均化）制御しておけば、被認証者の生体情報が絶縁体層に記録されている情報と一致したときのみ大きな電流が流れるようにすることができる。
【００４２】
このように、本実施形態の個人認証装置は自己組織化を用いて作製されるため、個々の素子の作製条件は複製することができない。従って、登録された個人情報も登録に使用した素子特有の情報に成り得る。自己組織的に作製された量子ドット群から、エッジ強調された画像を記録するのに必要な量子ドットが自然に選ばれているので、不正読み出しが行われた画像から複製を行うことは非常に困難である。よって、登録データを盗難から防御する機能が高い。また、数値変換自体を行わないので、数値変換を行うプロセスで起こる不正読み出しの機会がないと言う点においても、本実施形態は優位である。
【００４３】
即ち本実施形態では、自動的にエッジを強調して検出できるため生体の特徴パターン検出の精度向上が見込まれ、チップに個人の特徴点を直接書き込むことから不正読み出しに対する防御機能を備える工夫ができ、量子ドットを集中することによって小型化することができる。
【００４４】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す断面図である。なお、図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４５】
本実施形態が前記図５に示したセルと異なる点は、グラニュラー膜等からなる絶縁層３２の代わりに強誘電体膜４２を用い、この強誘電体膜４２を介した電流を記録部２１の入力信号としたことにある。
【００４６】
強誘電体膜は、電流電圧特性にオン・オフ切り替え値を持つヒステリシス特性を示す材料として知られている。具体的には、印加電圧の上昇に伴い通電電流も増加するが、ある電圧（切り替え値）以上になると電流は流れなくなる。電流が一旦流れなくなると、印加電圧を下げても電流は流れず、印加電圧を負にするまで電流は流れない。
【００４７】
電気信号の入力は第１の実施形態と同様に行い、認識部３０を介した電気特性は記録部２１に入力される。ここで、記録部２１としての絶縁体層の絶縁破壊が上記のオン・オフ切り替え値よりも僅かに低い電圧で発生するようにしておけば、切り替え値付近の信号のみを記録させることができる。
【００４８】
強誘電体膜４２には、例えばＺｎＣｄＳを用いることができ、この材料も電流電圧特性にヒステリシスを示すことが知られている（P. van der Sluis, Appl. Phys. Lett., 82, 4089 (2003)）。強誘電体膜４２への入力は第１の実施形態と同様に行い、Ｖsw（Ｉsw）をオン・オフ切り替え電圧（電流）とすると、入力信号がＶsw（Ｉsw）付近のときに強誘電体膜４２から記録部２１としての絶縁体層へ信号が出力される。ＺｎＣｄＳ膜のＶswは、例えば膜厚が４００ｎｍのとき１Ｖである。
【００４９】
このような構成においても、先の第１の実施形態と同様に、個人認証を行うことが可能であり、先の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５０】
（第３の実施形態）
図１０（ａ）（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す断面図である。なお、図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５１】
本実施形態は、記録部に相変化膜５１を用いた点が第１の実施形態と異なる。即ち、シリコン基板２０上に絶縁体ナノピラー３１が形成され、この絶縁体ナノピラー３１の孔内に記録部として相変化膜５１が形成され、その上に抵抗体膜３４及び金属層３３が積層されている。
【００５２】
相変化膜５１は、加熱により膜の状態が変化する特徴を有し、相転移温度で結晶・アモルファス転移を起こすことが知られている。変化は可逆であるが、相転移温度においてのみそれぞれの状態に遷移するため加熱プロセスがない限り状態は保持される。電気信号の入力は第１の実施形態と同様に行うが、相変化膜５１への熱のやりとりが必要なため、認識部３０と相変化膜５１の間には抵抗体膜３４を挿入することが必要である。認識部３０を介した電流又は電圧プロファイルに応じて加熱温度が異なるため、相転移温度に達した部分でのみ相変化膜５１の相変化が起こる。相変化が起こった箇所では抵抗の変化が生じる。
【００５３】
図１０（ａ）は金属ドット３３からの電流が直接相変化膜５１に流れ込む形態で、抵抗体膜３４が第１の実施形態のグラニュラー膜（絶縁層）３２の役割を果たす。より精度良くするためには、図１０（ｂ）に示すように、抵抗体膜３４と量子ドット３３との間に第１の実施形態と同様のグラニュラー膜３２を挿入すると良い。相変化膜５１は、加熱により結晶状態になったりアモルファス状態になったりする特徴を有する。相変化膜５１としては、例えばＧｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系を用いることができる。この場合の抵抗体膜３４は、相変化膜５１を加熱する役割を果たす。
【００５４】
認識・出力は、第１の実施形態と同様に行う。量子ドット３３から与えられる電流は抵抗体膜３４に入力される。電流プロファイルにより抵抗体膜３４の温度が上昇する。例えばＧｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系の場合，アモルファス状態にするためには相変化膜５１の熱を融点付近（約＋６１０℃）まで高めてから１ｎｓ未満で急速に冷却する。それより低い温度（約＋４５０℃）に１０ｎｓ程度維持してから冷却すると結晶状態になるが、アモルファス状態を保っておくことで入力情報は保持される。
【００５５】
認識時には，負性抵抗特性を示す領域よりも低い電圧を印加するように入力を行い、抵抗変化を検出する。
【００５６】
このような構成においても、先の第１の実施形態と同様に個人認証を行うことが可能であり、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また本実施形態では、記録部として相変化膜５１を用いたことにより、個人の登録情報の書き換えが可能である。
【００５７】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係わる個人認証装置の回路構成を示す図である。
【００５８】
本実施形態は、認証精度を高めるために、認識部３０に入力される前の信号を１次的に記録しておくメモリバッファ（キャッシュメモリ）６１を用いた点が第１の実施形態と異なる。セルの構成は第１の実施形態と同様である。
【００５９】
個人認証／登録の際には、被検体の位置合わせによるエラーの可能性があるが、これは入力に幅を持たせることで解決できる。本実施形態では、個人認証を行うために入力された検出信号を予めメモリバッファ部６１に記録しておく。そして、個人認証を行うために再入力された検出信号の特徴点と、メモリバッファ部６１に記録された検出信号の特徴点との照合を行い、その結果に基づき、入力信号の変換を行った後、認識部３０への送信を行うことを特徴としている。
【００６０】
例えば、指紋認証の場合には、幾つかの指紋の特徴点を記憶させておけば良い。この情報と再入力された情報との照合を行う際に起こる位置合わせにおけるエラーの可能性は、認証時の入力を複数回取ることにより入力の電気信号に幅を持たせることで解決できる。具体的には図１１に示すように、イメージセンサ１３で撮像することにより得られた検出信号に相当する電流をキャッシュメモリ６１に順次記憶させた後、認証／出力部に逐次入力する。キャッシュメモリ６１にはＳＲＡＭを用いることができ、書き込み読み出しは外部回路で制御される。
【００６１】
このように本実施形態では、被検体の位置ずれ等による認識エラーを抑制することができ、認証精度を高めることができる。
【００６２】
（第５の実施形態）
図１２は本発明の第５の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す断面図で、図１３は同実施形態の要部構成を示す模式図である。なお、図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６３】
本実施形態が先の第１の実施形態と異なる点は、認識部３０を構成している量子ドット群の各量子ドット７３において、磁性体材料を用いたことにある。即ち、絶縁体ナノピラー３１間の細孔に金属微粒子が分散された絶縁層３２が埋め込まれ、その上に磁性体材料からなる金属層７３が形成されている。そして、絶縁体ナノピラー３１上には非磁性層７４が形成され、金属層７３及び非磁性層７４上には磁化固定層７６が形成されている。
【００６４】
このような構成であれば、入力信号にスピン偏極した電流を用いることで、抵抗の差がより大きくなると考えられる。
【００６５】
図１２に示すように、本実施形態における個人認証装置の構造は、磁性体ドット上部に薄い非磁性層７４を介して磁化固定層７５を持つ。磁化固定層７５を通過した電流は、スピン角運動量がそろった状態で非磁性層７４を通過する。このとき、非磁性層７４ではスピン緩和が起きないように薄膜にしておく必要がある。例えば、設計膜厚で３ｎｍ以下程度にすればよい。このようにして、スピン偏極した電流を量子ドット部分に入力することができる。
【００６６】
図１３に示すように最初、各量子ドット７３のスピンはランダムに分布している。入力電流のスピンの向きと各量子ドット７３のスピンの向きが一致するところでは抵抗が低く電流が流れやすい。よって、ニューラルネットワークが形成されていると、エッジを強調する領域においては、量子ドット７３の磁性体におけるスピンが同じ方向に揃い、より大きな電流がその領域へ流れることになる。一方、エッジがない領域では、スピンがお互いに逆向きに揃い、その領域を流れる電流を抑える方向へ磁性体のスピンが向くことになる。
【００６７】
本実施形態の構造を用いることで、前記第１から第４の実施形態における量子ドット群の抵抗ネットワークに加え、各量子ドットでの磁気抵抗変化による効果が加わり、個人認証／登録の精度向上となる。
【００６８】
（第６の実施形態）
図１４は、本発明の第６の実施形態に係わる個人認証装置の動作を説明するためのフローチャートである。本実施形態は、第３及び第４の実施形態を組み合わせたものである。
【００６９】
本実施形態における記録部には、第３の実施形態と同様に相変化膜５１を用いる。絶縁体層２１を記録部に用いる場合と大きく違うのは、相変化膜５１における相転移は可逆過程であるため一度登録したデータの修正が可能な点である。従って、傷や加齢による生体情報の変化を取り込んで再登録することができる。
【００７０】
第４の実施形態と同様に、照合時には認証部３０に入力される前の信号を１次的に記録しておくメモリバッファ６１を用いる。入力データとの照合において、メモリバッファ６１の保存データとの差を抽出し、入力データを補正して量子ドット群に入力する。
【００７１】
具体的には、前記図４に示すガラス体１１上に被認証者の指１０をセットし（ステップＳ１１）、イメージセンサ１３により指紋の凹凸を検出する（ステップＳ１２）。そして、指紋の凹凸情報が電気信号に変換され、量子ドット群の各電極に順次入力される。（ステップＳ１３）。そして、これは、前記キャッシュメモリ６１に記憶される（ステップＳ１４）。再度の入力があると、キャッシュメモリ６１に記憶されたデータと再入力された入力データとが比較され、入力データの補正が行われる（ステップＳ１５）。
【００７２】
補正されたデータは、量子ドットネットワークに入力される（ステップＳ１６）。画像登録の場合は、記録部２０としての相変化膜５１に指紋パターンが直接書き込まれることになり（ステップＳ１６）、画像が保存される（ステップＳ１８）。このとき、登録データへの数値変換は不要である。
【００７３】
一方、被認証者が登録された個人かどうかを認証する際は、登録時と同様に個人の生体情報を、例えば光学式センサ１３により入力することによって行われる。このとき、記録部２０としての相変化膜５１において相変化が起こった部分には電流パスが形成されているため、記録部２０に記録されている情報と一致すれば、大きな電流が流れることになる（ステップＳ１９）。これにより、登録されている個人か否かの判定を行うことが可能となる。
【００７４】
また、本実施形態では、個人の生体情報の登録・認証に学習機能を付与することもできる。個人の生体情報を再登録する際には、例えば入力データと保存データとの差を抽出し、この差を量子ドット群に与えることにより、相変化膜５１の状態を一部変化させる。このとき、印加電圧は負性微分抵抗特性を示すために十分な電圧が印加されている必要がある。
【００７５】
このように本実施形態では、被検体の位置ずれ等による認識エラーを抑制できることに加え、登録データの更新が可能な個人認証を行うことができる。
【００７６】
（第７の実施形態）
第１～第６の実施形態では、複数個の量子ドットに１画素分の信号が入力されるものとしたが、１つの量子ドットに１画素分の信号が入力されるようにしてもよい。そのためには、量子ドット３３の複数個を１つの配線に共通に接続するのではなく、量子ドット３３の各々を独立して配線に接続すればよい。
【００７７】
本実施形態では、配線が１つ１つの量子ドット３３に対応することによって、素子自体の小型化が実現できる。また、量子ドット３３を集積化することによって、複数の生体情報の登録も可能になる。
【００７８】
（第８の実施形態）
図１５は、本発明の第８の実施形態に係る個人認証装置を示す概略構成図である。この実施形態は、個人認証装置をカードに搭載したときの例である。
【００７９】
ネットワークセル１５は何れの実施形態のものでも良いが、例えば前記図５に示すような記録部２１、認証部３０、及び配線部が形成されたシリコン基板２０がカード８０上に搭載されている。カード８０の一側面に量子ドット３３に接続された外部接続電極８１が設けられている。そして、このカード８０を外部装置にセットした際に、電極８１が外部装置の電極と接続され、配線を通して画像情報が量子ドット３３に入力されるものとなっている。
【００８０】
実際の使用には、登録本人が携帯可能なカード形式にすることが考えられる。このとき、対象となるのは、キャッシュカード、ＩＤカードなどである。
【００８１】
図１６に示すように、被認証者は、登録・認証の際に個人カード８０を外部装置９０に挿入する。外部装置９０は、指紋検出のための光学式センサ及びカード８０との接触電極の他に、指紋認証のためのプログラムを有するコンピュータを備えている。従って、指紋の検出、照合等は全て外部装置９０で行われる。カード８０は記憶情報を有しているだけでよい。
【００８２】
このようなカード形式にすることにより、被認証者の個人情報は特定の場所に保存されることはなく、データの盗難予防に効果的である。また、登録データを被認証者が携帯することから、用途別の登録を必要としないことも特徴である。
【００８３】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。認識部を構成する絶縁層は必ずしも多孔質絶縁膜に限るものではなく、量子ドットの径と同じ程度の多数の孔を有する絶縁層であればよい。また、この絶縁層や量子ドットの材料は、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００８４】
実施形態では、記録部，認識部等を形成するための基板として半導体基板を用いた。基板上に認証機能以外の機能を有する他のデバイス等を形成するには半導体基板が最も望ましいが、基板上に認証機能のみを構成するのであれば、基板は必ずしも半導体である必要はなく、導電性を有する基板であれば用いることが可能である。
【００８５】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施形態に係わる個人認証装置に用いる量子ドットを示す平面図。
【図２】本発明の一実施形態に係わる個人認証装置に用いる量子ドットにおける電子のトンネル伝導を説明する断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係わる個人認証装置に用いる量子ドット群が形成する抵抗ネットワークを説明する図。
【図４】第１の実施形態に係わる個人認証システムの概略構成を示す図。
【図５】第１の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す断面図。
【図６】第１の実施形態に係わる個人認証装置の製造工程を示す断面図。
【図７】第１の実施形態の個人認証装置の認識部を構成している絶縁体における電流－電圧特性（共鳴トンネル特性）を測定した結果を示す図。
【図８】第１の実施形態に係わる個人認証装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図９】第２の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す断面図。
【図１０】第３の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す断面図。
【図１１】第４の実施形態に係る個人認証装置の回路構成を示す図である。
【図１２】第５の実施形態に係わる個人認証装置の要部構成を示す図。
【図１３】第５の実施形態に係わる個人認証装置の要部構成を示す図。
【図１４】第６の実施形態に係わる個人認証装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図１５】第８の実施形態に係わる個人認証装置の概略構成を示す図。
【図１６】第８の実施形態に係わる個人認証装置の動作を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００８７】
１…量子ドット
２…ウエル（絶縁膜）
３…電子
４…抵抗
１０…被認証者の指（被検体）
１１…ガラス体
１２…ＬＥＤ（光源）
１３…ＣＤＤイメージセンサ（受光素子）
１５…ネットワークセル
２０…シリコン基板（半導体基板）
２１…絶縁体層（記録部）
２５…絶縁膜
３０…認識部
３１…絶縁体ナノピラー（多孔質絶縁膜）
３２…グラニュラー膜（絶縁層）
３３…金属層（量子ドット）
３４…抵抗体膜
３５…アルミニウム膜
４２…強誘電体膜
５１…相変化膜
６１…キャッシュメモリ
７３…磁性体金属層（量子ドット）
７４…非磁性層
７５…磁化固定層
８０…カード
８１…外部接続電極
９０…外部装置

【出願人】	【識別番号】０００００３０７８【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】	平成１８年８月２９日（２００６．８．２９）
【代理人】	【識別番号】１０００５８４７９【弁理士】【氏名又は名称】鈴江武彦【識別番号】１０００９１３５１【弁理士】【氏名又は名称】河野哲【識別番号】１０００８８６８３【弁理士】【氏名又は名称】中村誠【識別番号】１００１０８８５５【弁理士】【氏名又は名称】蔵田昌俊【識別番号】１０００７５６７２【弁理士】【氏名又は名称】峰隆司【識別番号】１００１０９８３０【弁理士】【氏名又は名称】福原淑弘【識別番号】１０００８４６１８【弁理士】【氏名又は名称】村松貞男【識別番号】１０００９２１９６【弁理士】【氏名又は名称】橋本良郎
【公開番号】	特開２００８－５４７５４（Ｐ２００８－５４７５４Ａ）
【公開日】	平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【出願番号】	特願２００６－２３２５０９（Ｐ２００６－２３２５０９）