JP2002341395A - 有機光演算デバイス - Google Patents
有機光演算デバイスInfo
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Landscapes
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光演算システムに応用可能な、これまでに無
い原理に基づく、有機多層薄膜構造を持つ光演算デバイ
スを得る。 【解決手段】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子８
０に高電圧を印加して発光させておく。それに青色光パ
ターン８１を入射させると、素子８０からは入力パター
ンを反転したパターンが出力される。
い原理に基づく、有機多層薄膜構造を持つ光演算デバイ
スを得る。 【解決手段】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子８
０に高電圧を印加して発光させておく。それに青色光パ
ターン８１を入射させると、素子８０からは入力パター
ンを反転したパターンが出力される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は有機光エレクトロニ
クスデバイスに関し、特に互いに異なる波長域の光によ
り励起されて光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体
層を積層したヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を
積層一体化した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその
多層有機薄膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光
演算素子を備えた有機光演算デバイスに関するものであ
る。
クスデバイスに関し、特に互いに異なる波長域の光によ
り励起されて光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体
層を積層したヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を
積層一体化した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその
多層有機薄膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光
演算素子を備えた有機光演算デバイスに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の光演算システムにおいて
は、システム要素となる２次元の光情報（画像）を取り
扱えるデバイスとして、例えば、液晶空間光変調器のよ
うな種々のタイプの空間光変調器が用いられてきた（例
えば、谷田貝、応用物理、５７，１１３６（１９８８）
参照）。
は、システム要素となる２次元の光情報（画像）を取り
扱えるデバイスとして、例えば、液晶空間光変調器のよ
うな種々のタイプの空間光変調器が用いられてきた（例
えば、谷田貝、応用物理、５７，１１３６（１９８８）
参照）。
【０００３】本発明者らは、これまでにない新しい原理
の空間光変調器として動作しうる、有機多層薄膜構造を
持つ「光→光」変換デバイスを提案してきた。この「光
→光」変換デバイスにおける従来の技術としては、光電
流増倍デバイスと有機電界発光（ＥＬ）デバイスを積層
一体化した「光→光」変換デバイスがある（例えば、平
本、勝目、横山、応用物理、６４，１０３６（１９９
５）参照）。また、光照射した部分のみ出力光を消去で
きるＮＯＴ光演算デバイスがある（例えば、日本画像学
会年次大会Japan Hardcopy≡99予稿（東京）、ｐ１４５
（１９９９）参照）。
の空間光変調器として動作しうる、有機多層薄膜構造を
持つ「光→光」変換デバイスを提案してきた。この「光
→光」変換デバイスにおける従来の技術としては、光電
流増倍デバイスと有機電界発光（ＥＬ）デバイスを積層
一体化した「光→光」変換デバイスがある（例えば、平
本、勝目、横山、応用物理、６４，１０３６（１９９
５）参照）。また、光照射した部分のみ出力光を消去で
きるＮＯＴ光演算デバイスがある（例えば、日本画像学
会年次大会Japan Hardcopy≡99予稿（東京）、ｐ１４５
（１９９９）参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の光演算システム
は、システム要素となる空間光変調器もかなり大型のか
さばるデバイスであるため、これらを組み上げてシステ
ム化するには、これらにシステム要素や様々な光学素子
を加えて光学ベンチ上に配列する必要があり、出来上が
った光演算システムも、実用にはほど遠い大がかりなも
のにならざるを得なかった。そこで、本発明は、コンパ
クトで薄型・大面積という特徴を持ち、光演算システム
に応用可能な、これまでに無い原理に基づく、有機多層
薄膜構造を持つ光演算デバイスを提供することを目的と
するものである。
は、システム要素となる空間光変調器もかなり大型のか
さばるデバイスであるため、これらを組み上げてシステ
ム化するには、これらにシステム要素や様々な光学素子
を加えて光学ベンチ上に配列する必要があり、出来上が
った光演算システムも、実用にはほど遠い大がかりなも
のにならざるを得なかった。そこで、本発明は、コンパ
クトで薄型・大面積という特徴を持ち、光演算システム
に応用可能な、これまでに無い原理に基づく、有機多層
薄膜構造を持つ光演算デバイスを提供することを目的と
するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上述した従来の空間光変
調器を用いた光演算システムに対し、本発明は、光電導
性有機薄膜における光電流増倍現象を利用した増幅型
「光→電気」変換機能と有機電界発光（ＥＬ）薄膜にお
ける「電気→光」変換機能を積層一体化した、これまで
にない全く新しいタイプの有機多層薄膜型のデバイス
で、いくつかの基本論理光演算が行える光論理演算デバ
イスを提供するものである。
調器を用いた光演算システムに対し、本発明は、光電導
性有機薄膜における光電流増倍現象を利用した増幅型
「光→電気」変換機能と有機電界発光（ＥＬ）薄膜にお
ける「電気→光」変換機能を積層一体化した、これまで
にない全く新しいタイプの有機多層薄膜型のデバイス
で、いくつかの基本論理光演算が行える光論理演算デバ
イスを提供するものである。
【０００６】本発明の有機光演算デバイスは、互いに異
なる波長域の光により励起されて光電流増倍現象を示す
２種類の有機半導体層を積層したヘテロ接合体にさらに
有機電界発光素子を積層一体化した構造を持つ多層有機
薄膜構造、及びその多層有機薄膜構造に電圧を印加する
電極を備えた有機光演算素子を使用する。
なる波長域の光により励起されて光電流増倍現象を示す
２種類の有機半導体層を積層したヘテロ接合体にさらに
有機電界発光素子を積層一体化した構造を持つ多層有機
薄膜構造、及びその多層有機薄膜構造に電圧を印加する
電極を備えた有機光演算素子を使用する。
【０００７】第１の局面では、前記ヘテロ接合体への光
入力がない状態で前記有機電界発光素子が発光するよう
に前記電極により電圧を印加しておき、前記ヘテロ接合
体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制す
る波長の光の入力によりその入力部分における前記有機
電界発光素子の発光を消去するＮＯＴ演算を行なわせ
る。
入力がない状態で前記有機電界発光素子が発光するよう
に前記電極により電圧を印加しておき、前記ヘテロ接合
体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制す
る波長の光の入力によりその入力部分における前記有機
電界発光素子の発光を消去するＮＯＴ演算を行なわせ
る。
【０００８】第２の局面では、前記ヘテロ接合体への光
入力がない状態で前記有機電界発光素子が発光するよう
に前記電極により電圧を印加しておき、前記ヘテロ接合
体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制す
る波長をもつ２つの光の入力によりその２つの光の入力
部分すべてにおいて前記有機電界発光素子の発光を消去
するＮＯＲ演算を行なわせる。
入力がない状態で前記有機電界発光素子が発光するよう
に前記電極により電圧を印加しておき、前記ヘテロ接合
体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制す
る波長をもつ２つの光の入力によりその２つの光の入力
部分すべてにおいて前記有機電界発光素子の発光を消去
するＮＯＲ演算を行なわせる。
【０００９】第３の局面では、前記ヘテロ接合体への光
入力がない状態では前記有機電界発光素子が発光せず、
前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して光電
流増倍を起こす波長をもつ光の入力により前記有機電界
発光素子が発光するように前記電極により電圧を印加し
ておき、光電流増倍を起こす前記波長の２つの光の入力
によりその２つの光の入力部分すべてにおいて前記有機
電界発光素子を発光させるＯＲ演算を行なわせる。
入力がない状態では前記有機電界発光素子が発光せず、
前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して光電
流増倍を起こす波長をもつ光の入力により前記有機電界
発光素子が発光するように前記電極により電圧を印加し
ておき、光電流増倍を起こす前記波長の２つの光の入力
によりその２つの光の入力部分すべてにおいて前記有機
電界発光素子を発光させるＯＲ演算を行なわせる。
【００１０】第４の局面では、前記ヘテロ接合体への光
入力がない状態で前記有機電界発光素子が発光するよう
に前記電極により電圧を印加しておき、前記ヘテロ接合
体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制す
る波長の光の入力によりその入力部分における前記有機
電界発光素子の発光を消去するＮＯＴ演算、又は光電流
増倍を抑制する波長をもつ２つの光の入力によりその２
つの光の入力部分すべてにおいて前記有機電界発光素子
の発光を消去するＮＯＲ演算と、前記ヘテロ接合体への
光入力がない状態では前記有機電界発光素子が発光せ
ず、前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して
光電流増倍を起こす波長をもつ光の入力により前記有機
電界発光素子が発光するように前記電極により電圧を印
加しておき、光電流増倍を起こす前記波長の２つの光の
入力によりその２つの光の入力部分すべてにおいて前記
有機電界発光素子を発光させるＯＲ演算とを前記電極へ
の印加電圧により切り替える。この局面では、印加電圧
と入力光波長を選択することにより、有機多層薄膜型の
デバイスで、いくつかの基本論理光演算が行える光論理
演算デバイスを実現することができる。
入力がない状態で前記有機電界発光素子が発光するよう
に前記電極により電圧を印加しておき、前記ヘテロ接合
体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制す
る波長の光の入力によりその入力部分における前記有機
電界発光素子の発光を消去するＮＯＴ演算、又は光電流
増倍を抑制する波長をもつ２つの光の入力によりその２
つの光の入力部分すべてにおいて前記有機電界発光素子
の発光を消去するＮＯＲ演算と、前記ヘテロ接合体への
光入力がない状態では前記有機電界発光素子が発光せ
ず、前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して
光電流増倍を起こす波長をもつ光の入力により前記有機
電界発光素子が発光するように前記電極により電圧を印
加しておき、光電流増倍を起こす前記波長の２つの光の
入力によりその２つの光の入力部分すべてにおいて前記
有機電界発光素子を発光させるＯＲ演算とを前記電極へ
の印加電圧により切り替える。この局面では、印加電圧
と入力光波長を選択することにより、有機多層薄膜型の
デバイスで、いくつかの基本論理光演算が行える光論理
演算デバイスを実現することができる。
【００１１】第５の局面では、互いに異なる波長域の光
により励起されて光電流増倍現象を示す２種類の有機半
導体層を積層したヘテロ接合体にさらに有機電界発光素
子を積層一体化した構造を持つ多層有機薄膜構造、及び
その多層有機薄膜構造に電圧を印加する電極を備えた有
機光演算素子を２つ備え、前記ヘテロ接合体への光入力
がない状態では前記有機電界発光素子が発光せず、前記
ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して光電流増
倍を起こす波長をもつ光の入力により前記有機電界発光
素子が発光するようにそれぞれの有機光演算素子に前記
電極により電圧を印加しておき、光電流増倍を起こす波
長の第１の光パターンと、第１の光パターンと同じパタ
ーンで前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起し
て光電流増倍を抑制する波長をもつ第２の光パターンと
を一部が重なるように前記２つの有機光演算素子にそれ
ぞれ入射させるとともに、前記２つの有機光演算素子か
らの出力光を２つの光パターンの重なり部分が一致し第
１と第２の光パターンが逆になるように合成する光学系
を備えて、第１と第２の光パターンをその重なり部分を
除いて発光させる排他的論理和演算を行なわせる。
により励起されて光電流増倍現象を示す２種類の有機半
導体層を積層したヘテロ接合体にさらに有機電界発光素
子を積層一体化した構造を持つ多層有機薄膜構造、及び
その多層有機薄膜構造に電圧を印加する電極を備えた有
機光演算素子を２つ備え、前記ヘテロ接合体への光入力
がない状態では前記有機電界発光素子が発光せず、前記
ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して光電流増
倍を起こす波長をもつ光の入力により前記有機電界発光
素子が発光するようにそれぞれの有機光演算素子に前記
電極により電圧を印加しておき、光電流増倍を起こす波
長の第１の光パターンと、第１の光パターンと同じパタ
ーンで前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起し
て光電流増倍を抑制する波長をもつ第２の光パターンと
を一部が重なるように前記２つの有機光演算素子にそれ
ぞれ入射させるとともに、前記２つの有機光演算素子か
らの出力光を２つの光パターンの重なり部分が一致し第
１と第２の光パターンが逆になるように合成する光学系
を備えて、第１と第２の光パターンをその重なり部分を
除いて発光させる排他的論理和演算を行なわせる。
【００１２】
【発明の実施の形態】（光→光変換の原理）次に、本発
明について図面を参照して説明する。図１は本発明の光
演算デバイスの基礎となる[光→光]変換の原理を表した
図である。１は入力光、２は出力光、３は「光→電子」
変換層（光電変換層）、４は「電子→光」変換層（電界
発光（ＥＬ）層）、５はマイナスにバイアスされた半透
明金属電極、６はプラスにバイアスされた半透明金属電
極、７は両電極間に電圧を印加するための電源、８は
「光→電子」変換層における光キャリア生成、９は「電
子→光」変換層におけるキャリア再結合を示す。
明について図面を参照して説明する。図１は本発明の光
演算デバイスの基礎となる[光→光]変換の原理を表した
図である。１は入力光、２は出力光、３は「光→電子」
変換層（光電変換層）、４は「電子→光」変換層（電界
発光（ＥＬ）層）、５はマイナスにバイアスされた半透
明金属電極、６はプラスにバイアスされた半透明金属電
極、７は両電極間に電圧を印加するための電源、８は
「光→電子」変換層における光キャリア生成、９は「電
子→光」変換層におけるキャリア再結合を示す。
【００１３】このデバイス構成で、電極５が電極６に対
してマイナスになるように電圧印加し、入力光１を照射
すると、「光→電子」変換層３で電子（ｅ）とホール
（ｈ）が光生成する。光生成した電子は「電子→光」変
換層４に注入され、プラス電極６から注入されたホール
と再結合することによって出力光２が放出される。な
お、図１では、「光→電子」変換層から「電子→光」変
換層に電子が注入されるタイプの「光→光」変換素子を
示したが、印加するバイアスの極性を逆にした「光→電
子」変換層から「電子→光」変換層にホールが注入され
るタイプの「光→光」変換素子も原理的に作製可能であ
る。
してマイナスになるように電圧印加し、入力光１を照射
すると、「光→電子」変換層３で電子（ｅ）とホール
（ｈ）が光生成する。光生成した電子は「電子→光」変
換層４に注入され、プラス電極６から注入されたホール
と再結合することによって出力光２が放出される。な
お、図１では、「光→電子」変換層から「電子→光」変
換層に電子が注入されるタイプの「光→光」変換素子を
示したが、印加するバイアスの極性を逆にした「光→電
子」変換層から「電子→光」変換層にホールが注入され
るタイプの「光→光」変換素子も原理的に作製可能であ
る。
【００１４】ヘテロ接合体を構成する「光→電子」変換
層（光電変換層）としては光電導性を有する有機半導体
（光照射によってキャリアを発生できる有機半導体）で
あれば、どのような種類のものを用いてもよい。光電導
性有機半導体にはｐ型性を示す有機半導体（ｐ型有機半
導体）とｎ型性を示す有機半導体（ｎ型有機半導体）が
ある。ヘテロ接合体を構成するの２種類の有機半導体層
は一方がｐ型、他方がｎ型で、そのヘテロ接合体がｐｎ
接合を形成していることが好ましい。本発明で使用する
主な有機半導体を図２に例示する。ｎ型有機半導体に
は、ペリレン顔料とその誘導体（窒素原子に付いている
置換基の異なる誘導体は多種知られており、例えば、Ｍ
ｅＰＴＣ，ｎ−Ｂｕ−ＰＴＣ，ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ，
ＰＴＣＤＡ，ＰｈＥｔ−ＰＴＣなどがあり、高い光電変
換能を持つＩｍ−ＰＴＣもある。）、ナフタレン誘導体
（ペリレン顔料のペリレン骨格がナフタレンになってい
るもので、例えばＮＴＣＤＡ）、Ｃ６０（フラーレンと
も呼ばれる）等が挙げられる。
層（光電変換層）としては光電導性を有する有機半導体
（光照射によってキャリアを発生できる有機半導体）で
あれば、どのような種類のものを用いてもよい。光電導
性有機半導体にはｐ型性を示す有機半導体（ｐ型有機半
導体）とｎ型性を示す有機半導体（ｎ型有機半導体）が
ある。ヘテロ接合体を構成するの２種類の有機半導体層
は一方がｐ型、他方がｎ型で、そのヘテロ接合体がｐｎ
接合を形成していることが好ましい。本発明で使用する
主な有機半導体を図２に例示する。ｎ型有機半導体に
は、ペリレン顔料とその誘導体（窒素原子に付いている
置換基の異なる誘導体は多種知られており、例えば、Ｍ
ｅＰＴＣ，ｎ−Ｂｕ−ＰＴＣ，ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ，
ＰＴＣＤＡ，ＰｈＥｔ−ＰＴＣなどがあり、高い光電変
換能を持つＩｍ−ＰＴＣもある。）、ナフタレン誘導体
（ペリレン顔料のペリレン骨格がナフタレンになってい
るもので、例えばＮＴＣＤＡ）、Ｃ６０（フラーレンと
も呼ばれる）等が挙げられる。
【００１５】ｐ型有機半導体には、フタロシアニン顔料
とその誘導体（中心に種々の金属をもつＭＰｃ、金属を
もたないＨ2Ｐｃや、周りに種々の置換基の付いたも
の）、キナクリドン顔料（ＤＱ）、ポルフィリン、メロ
シアニン等とその誘導体が挙げられる。
とその誘導体（中心に種々の金属をもつＭＰｃ、金属を
もたないＨ2Ｐｃや、周りに種々の置換基の付いたも
の）、キナクリドン顔料（ＤＱ）、ポルフィリン、メロ
シアニン等とその誘導体が挙げられる。
【００１６】有機半導体層は薄膜として用いられ、蒸着
膜や樹脂に分散させて塗布される樹脂分散膜が利用可能
である。蒸着膜として形成する場合は、膜厚は５００〜
１０００ｎｍが適当であるが、それよりも薄くすること
も厚くすることもできる。膜厚は、薄くなると素子化し
た場合の暗電流が大きくなるが、光入力がない場合でも
有機電界発光素子が発光する電圧を下げることができ
る。膜厚が厚くなると素子駆動電圧が大きくなる。
膜や樹脂に分散させて塗布される樹脂分散膜が利用可能
である。蒸着膜として形成する場合は、膜厚は５００〜
１０００ｎｍが適当であるが、それよりも薄くすること
も厚くすることもできる。膜厚は、薄くなると素子化し
た場合の暗電流が大きくなるが、光入力がない場合でも
有機電界発光素子が発光する電圧を下げることができ
る。膜厚が厚くなると素子駆動電圧が大きくなる。
【００１７】樹脂分散膜とする場合は、分散のために用
いる樹脂としては、ポリカーボネート（図３中に記号Ｃ
１１として示されたもの）、ポリビニルブチラール（図
３中に記号Ｃ１２として示されたもの）、ポリビニルア
ルコール、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなど
の汎用ポリマー、ポリビニルカルバゾール（図３中に記
号Ｃ１３として示されたもの）、ポリメチルフェニルシ
ラン（図３中に記号Ｃ１４として示されたもの）、ポリ
ジメチルシランなどの導電性ポリマーを挙げることがで
きる。
いる樹脂としては、ポリカーボネート（図３中に記号Ｃ
１１として示されたもの）、ポリビニルブチラール（図
３中に記号Ｃ１２として示されたもの）、ポリビニルア
ルコール、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなど
の汎用ポリマー、ポリビニルカルバゾール（図３中に記
号Ｃ１３として示されたもの）、ポリメチルフェニルシ
ラン（図３中に記号Ｃ１４として示されたもの）、ポリ
ジメチルシランなどの導電性ポリマーを挙げることがで
きる。
【００１８】樹脂に光導電性有機半導体を分散させた樹
脂分散有機半導体層における光導電性有機半導体の濃度
は３０〜６０重量％が好ましい。その濃度が３０重量％
より少なくなると膜の導電性が低下するためにそれだけ
光照射誘起電流が少なくなって、増倍素子としての光電
流増倍特性や光−光変換特性が低下してくる。逆にその
濃度が６０重量％より大きくなると、光電流増倍特性や
光−光変換特性は向上するが、膜の均一性が低くなり、
上部電極と下部電極が導通する確率が高くなり、また機
械的強度も小さくなって、大面積の素子を作成すること
が難しくなる。
脂分散有機半導体層における光導電性有機半導体の濃度
は３０〜６０重量％が好ましい。その濃度が３０重量％
より少なくなると膜の導電性が低下するためにそれだけ
光照射誘起電流が少なくなって、増倍素子としての光電
流増倍特性や光−光変換特性が低下してくる。逆にその
濃度が６０重量％より大きくなると、光電流増倍特性や
光−光変換特性は向上するが、膜の均一性が低くなり、
上部電極と下部電極が導通する確率が高くなり、また機
械的強度も小さくなって、大面積の素子を作成すること
が難しくなる。
【００１９】樹脂分散有機半導体層の膜厚は３００〜１
０００μｍが適当であるが、その範囲よりも薄くするこ
とも厚くすることもできる。膜厚が薄くなると、暗電流
が増加して光照射誘起電流が少なくなり、増倍素子とし
ての光電流増倍特性や光−光変換特性が低下してくる。
また、上部電極と下部電極が導通する確率が高くなる。
逆に膜厚が厚くなると、樹脂分散有機半導体層に所定の
電圧を印加するために大きな電源装置が必要になる。
０００μｍが適当であるが、その範囲よりも薄くするこ
とも厚くすることもできる。膜厚が薄くなると、暗電流
が増加して光照射誘起電流が少なくなり、増倍素子とし
ての光電流増倍特性や光−光変換特性が低下してくる。
また、上部電極と下部電極が導通する確率が高くなる。
逆に膜厚が厚くなると、樹脂分散有機半導体層に所定の
電圧を印加するために大きな電源装置が必要になる。
【００２０】「電子→光」変換層としては、有機電界発
光（ＥＬ：Electroluminescence）層を用いる。「電子
→光」変換層として用いられる有機材料を図４に示す。
代表的なものは、アルミ・キノリノール錯体（Ａｌ
ｑ3）や、ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣなどの蒸着膜を挙げる
ことができる。その有機ＥＬ層の膜厚は３０〜５０ｎｍ
が適当であるが、その範囲よりも薄くすることも厚くす
ることもできる。
光（ＥＬ：Electroluminescence）層を用いる。「電子
→光」変換層として用いられる有機材料を図４に示す。
代表的なものは、アルミ・キノリノール錯体（Ａｌ
ｑ3）や、ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣなどの蒸着膜を挙げる
ことができる。その有機ＥＬ層の膜厚は３０〜５０ｎｍ
が適当であるが、その範囲よりも薄くすることも厚くす
ることもできる。
【００２１】また、有機ＥＬ層はＡｌｑ3などの発光層
単独で使用される場合だけでなく、後述の図６で例示す
るようにホール輸送層と積層した状態で使用するのが好
ましい。ホール輸送層としては、図４に示したようなＴ
ＰＤやＰＤＡのほか、多くのタイプが報告されている。
ホール輸送層の膜厚は３０〜５０ｎｍが適当であるが、
その範囲よりも薄くすることも厚くすることもできる。
有機ＥＬ層やホール輸送層の材料形態としては、蒸着膜
型、樹脂分散膜型、ポリマー型すべてが利用可能であ
る。
単独で使用される場合だけでなく、後述の図６で例示す
るようにホール輸送層と積層した状態で使用するのが好
ましい。ホール輸送層としては、図４に示したようなＴ
ＰＤやＰＤＡのほか、多くのタイプが報告されている。
ホール輸送層の膜厚は３０〜５０ｎｍが適当であるが、
その範囲よりも薄くすることも厚くすることもできる。
有機ＥＬ層やホール輸送層の材料形態としては、蒸着膜
型、樹脂分散膜型、ポリマー型すべてが利用可能であ
る。
【００２２】ヘテロ接合体の２種類の有機半導体層の組
合せの一例は、フタロシアニン顔料とペリレン顔料であ
る。その場合、光電流増倍を抑制する波長は４００〜５
４０ｎｍである。また、光電流増倍を起こす波長は５４
０〜８００ｎｍである。ヘテロ接合体への光入力がない
状態で有機ＥＬ素子が発光する電圧は３５〜４０Ｖであ
る。
合せの一例は、フタロシアニン顔料とペリレン顔料であ
る。その場合、光電流増倍を抑制する波長は４００〜５
４０ｎｍである。また、光電流増倍を起こす波長は５４
０〜８００ｎｍである。ヘテロ接合体への光入力がない
状態で有機ＥＬ素子が発光する電圧は３５〜４０Ｖであ
る。
【００２３】ヘテロ接合体への光入力がない状態では有
機ＥＬ素子が発光せず、ヘテロ接合体の一方の有機半導
体層を励起して光電流増倍を起こす波長をもつ光の入力
により有機ＥＬ素子が発光する電圧は１０〜３０Ｖであ
る。本発明の有機光演算デバイスは、ヘテロ接合体の増
幅型「光→電気」変換機能層と「電気→光」変換機能層
を積層一体化した構造を持ち、入力光を一度電流に変換
してからさらにそれを出力光に変換することで「光→
光」変換を行う。
機ＥＬ素子が発光せず、ヘテロ接合体の一方の有機半導
体層を励起して光電流増倍を起こす波長をもつ光の入力
により有機ＥＬ素子が発光する電圧は１０〜３０Ｖであ
る。本発明の有機光演算デバイスは、ヘテロ接合体の増
幅型「光→電気」変換機能層と「電気→光」変換機能層
を積層一体化した構造を持ち、入力光を一度電流に変換
してからさらにそれを出力光に変換することで「光→
光」変換を行う。
【００２４】そして、有機薄膜を利用しているため、光
照射している部分以外には電流が流れず、２次元的な画
像を扱える。これは、抵抗が低くＤａｒｋ部分へもキャ
リアが拡散して２次元画像を扱えない無機半導体とは異
なった、本質的メリットであり、有機薄膜は本来このよ
うな画像情報を扱うのに適している。
照射している部分以外には電流が流れず、２次元的な画
像を扱える。これは、抵抗が低くＤａｒｋ部分へもキャ
リアが拡散して２次元画像を扱えない無機半導体とは異
なった、本質的メリットであり、有機薄膜は本来このよ
うな画像情報を扱うのに適している。
【００２５】図５に、図１の「光→光」変換デバイスが
動作しているときのエネルギー構造を示した。「電子→
光」変換層として発光層とホール輸送層を積層したタイ
プの有機ＥＬ素子を用いた場合を示してある。１０は入
力光、１１は出力光、１２はマイナスにバイアスした半
透明金属電極、１３は光電変換層、１４は有機ＥＬ素子
の発光層、１５は有機ＥＬ素子のホール輸送層、１６は
プラスにバイアスした半透明金属電極、１７は光電変換
層が光を吸収することによる電子−ホール生成、１８は
有機発光層において電子とホールが再結合することによ
るＥＬ光放出、１９は光電変換有機半導体１３の伝導帯
から発光性の有機半導体１４の伝導帯への電子注入であ
る。
動作しているときのエネルギー構造を示した。「電子→
光」変換層として発光層とホール輸送層を積層したタイ
プの有機ＥＬ素子を用いた場合を示してある。１０は入
力光、１１は出力光、１２はマイナスにバイアスした半
透明金属電極、１３は光電変換層、１４は有機ＥＬ素子
の発光層、１５は有機ＥＬ素子のホール輸送層、１６は
プラスにバイアスした半透明金属電極、１７は光電変換
層が光を吸収することによる電子−ホール生成、１８は
有機発光層において電子とホールが再結合することによ
るＥＬ光放出、１９は光電変換有機半導体１３の伝導帯
から発光性の有機半導体１４の伝導帯への電子注入であ
る。
【００２６】電極１２が電極１６に対してマイナスにな
るように電圧印加し、入力光１０を照射すると、光電変
換層１３で電子（ｅ）とホール（ｈ）が光生成する。光
生成した電子は有機ＥＬ素子の発光層１４に注入され、
プラス側電極１６からホール輸送層１５を通って発光層
に注入されたホールと発光層中で再結合することによっ
てＥＬ出力光１１が放出される。
るように電圧印加し、入力光１０を照射すると、光電変
換層１３で電子（ｅ）とホール（ｈ）が光生成する。光
生成した電子は有機ＥＬ素子の発光層１４に注入され、
プラス側電極１６からホール輸送層１５を通って発光層
に注入されたホールと発光層中で再結合することによっ
てＥＬ出力光１１が放出される。
【００２７】入力光として使用可能な光の波長は、「光
→電子」変換層に用いる有機材料の吸収スペクトルで決
まり、出力される光の波長は「電子→光」変換層の有機
発光層の発光スペクトルによって決まる。すなわち、そ
れぞれの材料を自由に選ぶことにより、原理的に種々の
波長の光を別の種々の波長の光に変換して放出できるこ
とになる。例えば、赤色の光を青色の光に変換するよう
な光の短波長化も可能である。これは非線形材料を用い
た光の短波長化とは原理的に全く異なる。
→電子」変換層に用いる有機材料の吸収スペクトルで決
まり、出力される光の波長は「電子→光」変換層の有機
発光層の発光スペクトルによって決まる。すなわち、そ
れぞれの材料を自由に選ぶことにより、原理的に種々の
波長の光を別の種々の波長の光に変換して放出できるこ
とになる。例えば、赤色の光を青色の光に変換するよう
な光の短波長化も可能である。これは非線形材料を用い
た光の短波長化とは原理的に全く異なる。
【００２８】有機薄膜を用いた場合には、光照射によっ
て電流が流れた部分のみ光が放出されるという大きな特
徴が生ずる。すなわち金属電極５と６がオーバーラップ
している面積で規定されるデバイスの大きさよりも小さ
なパターン（２次元的な画像）が入力されると、入力光
が照射された部分のみから出力光が放出され、入力光が
照射されなかった部分からは出力光は放出されない。す
なわち、素子の一方から入力した光パターンと全く同じ
パターンが素子の反対側から２次元的イメージを保存し
た形で放出される。これは、有機薄膜の暗伝導度が非常
に低いため暗時には絶縁体に近く、キャリアが有機膜面
方向にほとんど拡散せず、距離の非常に短い膜厚方向に
しか流れないために生ずる、有機薄膜に本質的な特徴で
ある。デバイスの総膜厚は厚い場合でも１ミクロン程度
なので、膜面方向のキャリア拡散もその程度であると考
えられ、光パターンの解像度は原理的に１ミクロン程度
の高い値になる。以上のように、有機薄膜は原理的に２
次元の光パターンを扱うのに適している。この特徴は、
「光→光」変換デバイスを光演算デバイスに応用する際
に、決定的に重要である。
て電流が流れた部分のみ光が放出されるという大きな特
徴が生ずる。すなわち金属電極５と６がオーバーラップ
している面積で規定されるデバイスの大きさよりも小さ
なパターン（２次元的な画像）が入力されると、入力光
が照射された部分のみから出力光が放出され、入力光が
照射されなかった部分からは出力光は放出されない。す
なわち、素子の一方から入力した光パターンと全く同じ
パターンが素子の反対側から２次元的イメージを保存し
た形で放出される。これは、有機薄膜の暗伝導度が非常
に低いため暗時には絶縁体に近く、キャリアが有機膜面
方向にほとんど拡散せず、距離の非常に短い膜厚方向に
しか流れないために生ずる、有機薄膜に本質的な特徴で
ある。デバイスの総膜厚は厚い場合でも１ミクロン程度
なので、膜面方向のキャリア拡散もその程度であると考
えられ、光パターンの解像度は原理的に１ミクロン程度
の高い値になる。以上のように、有機薄膜は原理的に２
次元の光パターンを扱うのに適している。この特徴は、
「光→光」変換デバイスを光演算デバイスに応用する際
に、決定的に重要である。
【００２９】（有機光演算素子の構造）図６に本発明で
用いる有機光演算素子の一例の構造を示す。６９は透明
ガラス基板６８上に形成されたＩＴＯ（indium tin oxi
de）透明電極、７０はその電極６９上に形成された電子
注入用の仕事関数の小さなＭｇ層（Ｍｇは光の透過率を
高めるために非常に薄い薄膜（約１０ｎｍの厚さ）とし
てある）である。７１はＭｇ層７０上に形成された有機
発光層であり、赤色発光性のｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ層
（膜厚約５０ｎｍ）を使用している。７２は有機発光層
７１上に形成された有機ホール輸送層で、ＴＰＤ層（膜
厚約５０ｎｍ）を使用している。７３と７４は光電流増
倍層であり、有機ホール輸送層７２上に形成されたフタ
ロシアニン顔料のＣｕＰｃ層（膜厚約５００ｎｍ）７３
と、その上に形成されたペリレン顔料のＭｅ−ＰＴＣ層
（膜厚約１００ｎｍ）７４とからなる二層構造である。
７５はＭｅ−ＰＴＣ層７４上に形成されたＡｕ半透明電
極（膜厚約２０ｎｍ）である。
用いる有機光演算素子の一例の構造を示す。６９は透明
ガラス基板６８上に形成されたＩＴＯ（indium tin oxi
de）透明電極、７０はその電極６９上に形成された電子
注入用の仕事関数の小さなＭｇ層（Ｍｇは光の透過率を
高めるために非常に薄い薄膜（約１０ｎｍの厚さ）とし
てある）である。７１はＭｇ層７０上に形成された有機
発光層であり、赤色発光性のｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ層
（膜厚約５０ｎｍ）を使用している。７２は有機発光層
７１上に形成された有機ホール輸送層で、ＴＰＤ層（膜
厚約５０ｎｍ）を使用している。７３と７４は光電流増
倍層であり、有機ホール輸送層７２上に形成されたフタ
ロシアニン顔料のＣｕＰｃ層（膜厚約５００ｎｍ）７３
と、その上に形成されたペリレン顔料のＭｅ−ＰＴＣ層
（膜厚約１００ｎｍ）７４とからなる二層構造である。
７５はＭｅ−ＰＴＣ層７４上に形成されたＡｕ半透明電
極（膜厚約２０ｎｍ）である。
【００３０】７６はＣｕＰｃのみを選択的に励起する波
長の赤色入力光(波長６５０〜８００ｎｍ)、７７はＭｅ
−ＰＴＣのみを選択的に励起する波長の青色光(波長４
００〜５００ｎｍ)（図では左側から入力するように描
かれているが、赤色光と同じ右側から入力してもよ
い）、７８は出力光（ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣの発光が赤
色のため出力光は赤色となる）である。７９は電極６
９，７５を介して素子に電圧を印加する電源である。
長の赤色入力光(波長６５０〜８００ｎｍ)、７７はＭｅ
−ＰＴＣのみを選択的に励起する波長の青色光(波長４
００〜５００ｎｍ)（図では左側から入力するように描
かれているが、赤色光と同じ右側から入力してもよ
い）、７８は出力光（ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣの発光が赤
色のため出力光は赤色となる）である。７９は電極６
９，７５を介して素子に電圧を印加する電源である。
【００３１】ｔ−ＢｕＰｈ−ＰＴＣ層７１／ＴＰＤ層７
２が有機ＥＬ層（「電子→光」変換層）であり、ＣｕＰ
ｃ層７３／Ｍｅ−ＰＴＣ層７４が光電流増倍機能を持つ
光電変換層（「光→電子」変換層）に相当する。
２が有機ＥＬ層（「電子→光」変換層）であり、ＣｕＰ
ｃ層７３／Ｍｅ−ＰＴＣ層７４が光電流増倍機能を持つ
光電変換層（「光→電子」変換層）に相当する。
【００３２】（ＮＯＴ演算）この素子において、素子に
１０〜３０Ｖを印加した状態で、赤色光を入力するとＣ
ｕＰｃ層７３で吸収され、後で述べる原理によってＣｕ
Ｐｃ層７３／Ｍｅ−ＰＴＣ層７４界面における光電流増
倍現象が起こり、先に述べたのと同様の原理によってＥ
Ｌ光が出力される。次いで、青色光を赤色光に重ねて入
力するとＭｅ−ＰＴＣ層７４によって吸収され、後で述
べる原理によって光電流増倍現象が抑制されて、ＥＬ出
力光が消去される。
１０〜３０Ｖを印加した状態で、赤色光を入力するとＣ
ｕＰｃ層７３で吸収され、後で述べる原理によってＣｕ
Ｐｃ層７３／Ｍｅ−ＰＴＣ層７４界面における光電流増
倍現象が起こり、先に述べたのと同様の原理によってＥ
Ｌ光が出力される。次いで、青色光を赤色光に重ねて入
力するとＭｅ−ＰＴＣ層７４によって吸収され、後で述
べる原理によって光電流増倍現象が抑制されて、ＥＬ出
力光が消去される。
【００３３】本素子のＮＯＴ光演算はＣｕＰｃ／Ｍｅ−
ＰＴＣ接合において起こる光電流増倍現象の特質に由来
する。図７に本素子の「光→電子」変換層のみを取りだ
したデバイスの構造を示す。８３はＩＴＯガラス、８４
はＣｕＰｃ層、８５はＭｅ−ＰＴＣ層、８６はＡｕ電
極、８７は赤色入力光（波長６８０ｎｍ）、８８は青色
入力光（波長４８０ｎｍ）、８９はこのデバイスに電圧
を印加する電源である。赤色光はＣｕＰｃのみを、青色
光はＭｅ−ＰＴＣのみを選択的に励起する。ＩＴＯ電極
をＡｕ電極に対してマイナスに電圧印加し、赤色入力光
によってＣｕＰｃのみを励起した時、ＣｕＰｃ／Ｍｅ−
ＰＴＣ界面における光電流増倍現象を観測できた。増倍
率は、４０Ｖの電圧印加で１００００倍に達する。２つ
の波長の光を用い、２つの有機層を同時に励起したと
き、次のような現象を観測できる。
ＰＴＣ接合において起こる光電流増倍現象の特質に由来
する。図７に本素子の「光→電子」変換層のみを取りだ
したデバイスの構造を示す。８３はＩＴＯガラス、８４
はＣｕＰｃ層、８５はＭｅ−ＰＴＣ層、８６はＡｕ電
極、８７は赤色入力光（波長６８０ｎｍ）、８８は青色
入力光（波長４８０ｎｍ）、８９はこのデバイスに電圧
を印加する電源である。赤色光はＣｕＰｃのみを、青色
光はＭｅ−ＰＴＣのみを選択的に励起する。ＩＴＯ電極
をＡｕ電極に対してマイナスに電圧印加し、赤色入力光
によってＣｕＰｃのみを励起した時、ＣｕＰｃ／Ｍｅ−
ＰＴＣ界面における光電流増倍現象を観測できた。増倍
率は、４０Ｖの電圧印加で１００００倍に達する。２つ
の波長の光を用い、２つの有機層を同時に励起したと
き、次のような現象を観測できる。
【００３４】図８にＡｕ電極側から赤い光（６８０ｎ
ｍ）を照射してＣｕＰｃを励起し、増倍光電流が流れて
いる状態で、反対側のＩＴＯ電極側から青い光（４８０
ｎｍ）を照射してＭｅ−ＰＴＣを励起したときの応答を
示す。この図で、赤色光のみの照射による増倍率は約２
４００倍である。青色光照射によって増倍光電流が効果
的に抑制され、ほぼ消去できることが分かる。応答は全
く可逆的であった。このような増倍光電流の２波長制御
により、先に述べたＮＯＴ光演算が可能となった。
ｍ）を照射してＣｕＰｃを励起し、増倍光電流が流れて
いる状態で、反対側のＩＴＯ電極側から青い光（４８０
ｎｍ）を照射してＭｅ−ＰＴＣを励起したときの応答を
示す。この図で、赤色光のみの照射による増倍率は約２
４００倍である。青色光照射によって増倍光電流が効果
的に抑制され、ほぼ消去できることが分かる。応答は全
く可逆的であった。このような増倍光電流の２波長制御
により、先に述べたＮＯＴ光演算が可能となった。
【００３５】図９にセル動作時のエネルギー構造を示
す。ＣｕＰｃ層を励起すると、光生成したキャリアが移
動し電子の一部がＭｅ−ＰＴＣ層との界面の近傍に存在
するトラップに捕獲され、蓄積する。すると、Ｍｅ−Ｐ
ＴＣ層に大きな電界がかかり、最終的に、ＣｕＰｃ層の
価電子帯からＭｅ−ＰＴＣ層の伝導帯へトンネリングに
よって電子が大量に注入され、増倍に至る（図９
（ａ））。
す。ＣｕＰｃ層を励起すると、光生成したキャリアが移
動し電子の一部がＭｅ−ＰＴＣ層との界面の近傍に存在
するトラップに捕獲され、蓄積する。すると、Ｍｅ−Ｐ
ＴＣ層に大きな電界がかかり、最終的に、ＣｕＰｃ層の
価電子帯からＭｅ−ＰＴＣ層の伝導帯へトンネリングに
よって電子が大量に注入され、増倍に至る（図９
（ａ））。
【００３６】増倍の抑制現象も、この増倍メカニズムに
基づいて合理的に説明できる（図９（ｂ））。すなわ
ち、赤色光照射により、ＣｕＰｃ層中で光生成した電子
が有機／有機界面近傍のトラップに蓄積され増倍を引き
起こす。ここで、青色光を照射すると、Ｍｅ−ＰＴＣ中
で吸収されてホールが光生成し、有機／有機界面に供給
され、界面に蓄積した電子と再結合して消滅する。その
結果、Ｍｅ−ＰＴＣ層への電界集中が解消され、トンネ
リング電子注入による増倍電流もほぼ消去されることに
なる。
基づいて合理的に説明できる（図９（ｂ））。すなわ
ち、赤色光照射により、ＣｕＰｃ層中で光生成した電子
が有機／有機界面近傍のトラップに蓄積され増倍を引き
起こす。ここで、青色光を照射すると、Ｍｅ−ＰＴＣ中
で吸収されてホールが光生成し、有機／有機界面に供給
され、界面に蓄積した電子と再結合して消滅する。その
結果、Ｍｅ−ＰＴＣ層への電界集中が解消され、トンネ
リング電子注入による増倍電流もほぼ消去されることに
なる。
【００３７】（ａ）の状態は赤色光を照射せず、３５〜
４０Ｖの高電圧を印加することでも得られ、この暗時の
増倍電流を青色光照射によって消去することができる。
本発明におけるＮＯＴ光演算は、この暗時の増倍電流を
青色光照射によって消去することを利用したものであ
る。図１０は本発明におけるＮＯＴ光演算を模式的に表
したもので、８０は図６の素子で、赤色光を照射しなく
ても発光するように高電圧を印加したものである。８１
は青色入力光（塗りつぶした円のパターン）、８２は素
子からの出力光であり、入力パターンを反転したパター
ンが得られる。
４０Ｖの高電圧を印加することでも得られ、この暗時の
増倍電流を青色光照射によって消去することができる。
本発明におけるＮＯＴ光演算は、この暗時の増倍電流を
青色光照射によって消去することを利用したものであ
る。図１０は本発明におけるＮＯＴ光演算を模式的に表
したもので、８０は図６の素子で、赤色光を照射しなく
ても発光するように高電圧を印加したものである。８１
は青色入力光（塗りつぶした円のパターン）、８２は素
子からの出力光であり、入力パターンを反転したパター
ンが得られる。
【００３８】（ＯＲ光演算）この素子において、素子に
１０〜３０Ｖを印加した状態で、２つの赤色光を入力す
ると、いずれもＣｕＰｃ層７３で吸収され、ＣｕＰｃ層
７３／Ｍｅ−ＰＴＣ層７４界面における光電流増倍現象
が起こりＥＬ光が出力されてＯＲ光演算となる。
１０〜３０Ｖを印加した状態で、２つの赤色光を入力す
ると、いずれもＣｕＰｃ層７３で吸収され、ＣｕＰｃ層
７３／Ｍｅ−ＰＴＣ層７４界面における光電流増倍現象
が起こりＥＬ光が出力されてＯＲ光演算となる。
【００３９】図１１はそのＯＲ光演算を模式的に表した
ものである。３８は１０〜３０Ｖを印加した図６の素子
である。３９は第１の赤色入力光（塗りつぶした円のパ
ターン）、４０は第２の赤色入力光（同じく塗りつぶし
た円のパターン）、４１は素子からの出力光であり、第
１、第２の赤色入力光のパターンがその重なり部分も含
めて発光する。これはＯＲ光演算そのものであり、図１
１のように印加電圧と入力光の波長を設定することによ
り、ＯＲ光演算デバイスとして動作することを意味す
る。すなわち、この素子は、照射光波長によって行なえ
る光演算の種類が異なるという特徴も併せ持つ。ＯＲ光
演算も基本光論理演算の１つである。
ものである。３８は１０〜３０Ｖを印加した図６の素子
である。３９は第１の赤色入力光（塗りつぶした円のパ
ターン）、４０は第２の赤色入力光（同じく塗りつぶし
た円のパターン）、４１は素子からの出力光であり、第
１、第２の赤色入力光のパターンがその重なり部分も含
めて発光する。これはＯＲ光演算そのものであり、図１
１のように印加電圧と入力光の波長を設定することによ
り、ＯＲ光演算デバイスとして動作することを意味す
る。すなわち、この素子は、照射光波長によって行なえ
る光演算の種類が異なるという特徴も併せ持つ。ＯＲ光
演算も基本光論理演算の１つである。
【００４０】（ＮＯＲ光演算）図１２はＮＯＲ光演算デ
バイスを模式的に示したものである。この素子に３５〜
４０Ｖの高電圧を印加した状態では、赤色光を照射しな
くても同様の増倍現象が暗時のキャリア注入によって引
き起こされ、素子全面からＥＬ光が出力され、この出力
光は青色光照射によって消去される。
バイスを模式的に示したものである。この素子に３５〜
４０Ｖの高電圧を印加した状態では、赤色光を照射しな
くても同様の増倍現象が暗時のキャリア注入によって引
き起こされ、素子全面からＥＬ光が出力され、この出力
光は青色光照射によって消去される。
【００４１】図６に示されたこの素子をＮＯＲ光演算と
して使用するときは、高電圧を印加する。９５は高電圧
が印加されたその素子であり、９７は第１の青色入力光
（円がぬりつぶされたパターン）、９８は第２の青色入
力光（円がぬりつぶされたパターン）、９９は出力光で
ある。すなわち、第１、第２の青色入力光のパターンが
その重なり部分も含めて光が出力されなくなる。これは
ＮＯＲ光演算そのものであり、図１２のように印加電圧
と入力光を設定することにより、ＮＯＲ光演算デバイス
として動作することを意味する。
して使用するときは、高電圧を印加する。９５は高電圧
が印加されたその素子であり、９７は第１の青色入力光
（円がぬりつぶされたパターン）、９８は第２の青色入
力光（円がぬりつぶされたパターン）、９９は出力光で
ある。すなわち、第１、第２の青色入力光のパターンが
その重なり部分も含めて光が出力されなくなる。これは
ＮＯＲ光演算そのものであり、図１２のように印加電圧
と入力光を設定することにより、ＮＯＲ光演算デバイス
として動作することを意味する。
【００４２】（排他的論理和（Ex ＯＲ光演算）この素
子に１０〜３０Ｖを印加した状態で、赤色入力光と青色
入力光を用いるＮＯＴ演算の原理を利用する。すなわ
ち、赤色光を入力するとＣｕＰｃ層で吸収され、ＣｕＰ
ｃ層／Ｍｅ−ＰＴＣ層界面における光電流増倍現象が起
こり、ＥＬ光が出力される。青色光を赤色光に重ねて入
力すると青色光はＭｅ−ＰＴＣ層によって吸収され、青
色光と赤色光が重なった領域では光電流増倍現象が抑制
されて、ＥＬ出力光が消去される。
子に１０〜３０Ｖを印加した状態で、赤色入力光と青色
入力光を用いるＮＯＴ演算の原理を利用する。すなわ
ち、赤色光を入力するとＣｕＰｃ層で吸収され、ＣｕＰ
ｃ層／Ｍｅ−ＰＴＣ層界面における光電流増倍現象が起
こり、ＥＬ光が出力される。青色光を赤色光に重ねて入
力すると青色光はＭｅ−ＰＴＣ層によって吸収され、青
色光と赤色光が重なった領域では光電流増倍現象が抑制
されて、ＥＬ出力光が消去される。
【００４３】図１３は排他的論理和光演算デバイスを概
略的に示したものである。図６の素子に１０〜３０Ｖを
印加した状態で、その２つの素子１００ａ，１００ｂの
それぞれに同じパターンの赤色入力光（パターンＡ）１
０２Ａと青色入力光（パターンＢ）１０２Ｂを入力す
る。この際、２つの入力光１０２Ａと１０２Ｂは一部が
重なるように配置し、またハーフミラー１０４，１０６
のような光学系によって、素子１００ａと１００ｂで２
つの入力光１０２Ａと１０２Ｂの位置が逆になるように
入力させる。素子１００ａと１００ｂの出力パターン
は、それぞれ赤色入力光パターンから青色入力光パター
ンとの重なり部分が除去されたパターンとなる。それら
の出力パターンをミラー１０８とハーフミラー１１０で
合成すると、２つの入力光パターンＡとＢの排他的論理
和パターンとなる。その合成された出力パターンをＣＣ
Ｄ１１２やＯＲ光演算デバイスにより検出する。
略的に示したものである。図６の素子に１０〜３０Ｖを
印加した状態で、その２つの素子１００ａ，１００ｂの
それぞれに同じパターンの赤色入力光（パターンＡ）１
０２Ａと青色入力光（パターンＢ）１０２Ｂを入力す
る。この際、２つの入力光１０２Ａと１０２Ｂは一部が
重なるように配置し、またハーフミラー１０４，１０６
のような光学系によって、素子１００ａと１００ｂで２
つの入力光１０２Ａと１０２Ｂの位置が逆になるように
入力させる。素子１００ａと１００ｂの出力パターン
は、それぞれ赤色入力光パターンから青色入力光パター
ンとの重なり部分が除去されたパターンとなる。それら
の出力パターンをミラー１０８とハーフミラー１１０で
合成すると、２つの入力光パターンＡとＢの排他的論理
和パターンとなる。その合成された出力パターンをＣＣ
Ｄ１１２やＯＲ光演算デバイスにより検出する。
【００４４】
【発明の効果】本発明の有機光演算デバイスは、互いに
異なる波長域の光により励起されて光電流増倍現象を示
す２種類の有機半導体層を積層したヘテロ接合体にさら
に有機電界発光素子を積層一体化した構造を持つ多層有
機薄膜構造、及びその多層有機薄膜構造に電圧を印加す
る電極を備えた有機光演算素子を使用し、印加電圧と入
力光波長を設定することにより、コンパクトで薄型・大
面積という特徴を持ち、光演算システムに応用可能な、
これまでに無い原理に基づく、有機多層薄膜構造を持つ
光演算デバイスを実現することができる。
異なる波長域の光により励起されて光電流増倍現象を示
す２種類の有機半導体層を積層したヘテロ接合体にさら
に有機電界発光素子を積層一体化した構造を持つ多層有
機薄膜構造、及びその多層有機薄膜構造に電圧を印加す
る電極を備えた有機光演算素子を使用し、印加電圧と入
力光波長を設定することにより、コンパクトで薄型・大
面積という特徴を持ち、光演算システムに応用可能な、
これまでに無い原理に基づく、有機多層薄膜構造を持つ
光演算デバイスを実現することができる。
【図１】本発明の光演算デバイスの基礎となる「光→
光」変換の原理を表した図である。
光」変換の原理を表した図である。
【図２】本発明で使用する主な有機半導体を例示する化
学構造式である。
学構造式である。
【図３】有機半導体膜を樹脂分散膜とする場合に分散の
ために用いる樹脂を例示する化学構造式である。
ために用いる樹脂を例示する化学構造式である。
【図４】「電子→光」変換層として用いられる有機材料
を例示する化学構造式である。
を例示する化学構造式である。
【図５】図１の「光→光」変換デバイスが動作している
ときのエネルギー構造を示す図である。
ときのエネルギー構造を示す図である。
【図６】本発明で用いる有機光演算素子の一例の構造を
示す概略斜視図である。
示す概略斜視図である。
【図７】図６の素子の「光→電子」変換層のみを取りだ
した素子の構造を示す概略斜視図である。
した素子の構造を示す概略斜視図である。
【図８】図６の素子のオン・オフ応答特性を示す図であ
る。
る。
【図９】図６の素子に２つの光を入力させて動作してい
る時のエネルギー構造を示す図である。
る時のエネルギー構造を示す図である。
【図１０】本発明におけるＮＯＴ光演算を模式的に示す
概略斜視図である。
概略斜視図である。
【図１１】本発明におけるＯＲ光演算を模式的に示す概
略斜視図である。
略斜視図である。
【図１２】本発明におけるＮＯＲ光演算を模式的に示す
概略斜視図である。
概略斜視図である。
【図１３】本発明における排他的論理和演算デバイスを
模式的に示す概略構成図である。
模式的に示す概略構成図である。
１，１０，８１ 入力光 ２，１１，４１，７８，８２，９９ 出力光 ３，１３ 「光→電子」変換層（光電変換層） ４，１４ 「電子→光」変換層（電界発光（ＥＬ）
層） ５，１２，６９，８３ マイナスにバイアスされた
半透明金属電極 ６，１６，７５，８６ プラスにバイアスされた半
透明金属電極 ７，７９ 両電極間に電圧を印加するための電源 ８，１７ 「光→電子」変換層における光キャリア
生成 ９，１８ 「電子→光」変換層におけるキャリア再
結合 １５，７２ 有機ＥＬ素子のホール輸送層 １９ 光電変換有機半導体の伝導帯から発光性の有
機半導体の伝導帯への電子注入 ３８ 図６の素子を用いたＯＲ光演算素子 ７０ 電子注入用Ｍｇ薄膜 ７１ 有機発光層 ７３，８４ ＣｕＰｃ層 ７４，８５ Ｍｅ−ＰＴＣ層 ，３９，４０，７６，８７ 赤色入力光 ７７，８８，９７，９８ 青色入力光 ８０ 図６の素子を用いたＮＯＴ光演算素子 ９５ 図６の素子を用いたＮＯＲ光演算素子 １００ａ，１００ｂ 図６の素子 １０２Ａ 赤色入力光（パターンＡ） １０２Ｂ 青色入力光（パターンＢ） １０４，１０６，１１０ ハーフミラー １０８ ミラー １１２ ＣＣＤ
層） ５，１２，６９，８３ マイナスにバイアスされた
半透明金属電極 ６，１６，７５，８６ プラスにバイアスされた半
透明金属電極 ７，７９ 両電極間に電圧を印加するための電源 ８，１７ 「光→電子」変換層における光キャリア
生成 ９，１８ 「電子→光」変換層におけるキャリア再
結合 １５，７２ 有機ＥＬ素子のホール輸送層 １９ 光電変換有機半導体の伝導帯から発光性の有
機半導体の伝導帯への電子注入 ３８ 図６の素子を用いたＯＲ光演算素子 ７０ 電子注入用Ｍｇ薄膜 ７１ 有機発光層 ７３，８４ ＣｕＰｃ層 ７４，８５ Ｍｅ−ＰＴＣ層 ，３９，４０，７６，８７ 赤色入力光 ７７，８８，９７，９８ 青色入力光 ８０ 図６の素子を用いたＮＯＴ光演算素子 ９５ 図６の素子を用いたＮＯＲ光演算素子 １００ａ，１００ｂ 図６の素子 １０２Ａ 赤色入力光（パターンＡ） １０２Ｂ 青色入力光（パターンＢ） １０４，１０６，１１０ ハーフミラー １０８ ミラー １１２ ＣＣＤ
フロントページの続き (72)発明者 横山 正明 兵庫県西宮市柏堂西町10−９ Ｆターム(参考） 2K002 AA01 AB23 BA01 BA08 CA05 DA04 EB08 GA10 HA01 3K007 AB04 AB05 DA01 DB03 EA02 EB00 5F041 CA03 CA45 CB03 CB31 FF16
Claims (11)
- 【請求項１】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子を
備え、 前記ヘテロ接合体への光入力がない状態でも前記有機電
界発光素子が発光するように前記電極により電圧を印加
しておき、 前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して光電
流増倍を抑制する波長の光の入力によりその入力部分に
おける前記有機電界発光素子の発光を消去するＮＯＴ演
算を行なうようにした有機光演算デバイス。 - 【請求項２】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子を
備え、 前記ヘテロ接合体への光入力がない状態でも前記有機電
界発光素子が発光するように前記電極により電圧を印加
しておき、 前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起して光電
流増倍を抑制する波長をもつ２つの光の入力によりその
２つの光の入力部分すべてにおいて前記有機電界発光素
子の発光を消去するＮＯＲ演算を行なうようにした有機
光演算デバイス。 - 【請求項３】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子を
備え、 前記ヘテロ接合体への光入力がない状態では前記有機電
界発光素子が発光せず、前記ヘテロ接合体の一方の有機
半導体層を励起して光電流増倍を起こす波長をもつ光の
入力により前記有機電界発光素子が発光するように前記
電極により電圧を印加しておき、 光電流増倍を起こす前記波長の２つの光の入力によりそ
の２つの光の入力部分すべてにおいて前記有機電界発光
素子を発光させるＯＲ演算を行なうようにした有機光演
算デバイス。 - 【請求項４】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子を
備え、 前記ヘテロ接合体への光入力がない状態で前記有機電界
発光素子が発光するように前記電極により電圧を印加し
ておき、前記ヘテロ接合体の一方の有機半導体層を励起
して光電流増倍を抑制する波長の光の入力によりその入
力部分における前記有機電界発光素子の発光を消去する
ＮＯＴ演算、又は光電流増倍を抑制する波長をもつ２つ
の光の入力によりその２つの光の入力部分すべてにおい
て前記有機電界発光素子の発光を消去するＮＯＲ演算
と、 前記ヘテロ接合体への光入力がない状態では前記有機電
界発光素子が発光せず、前記ヘテロ接合体の一方の有機
半導体層を励起して光電流増倍を起こす波長をもつ光の
入力により前記有機電界発光素子が発光するように前記
電極により電圧を印加しておき、光電流増倍を起こす前
記波長の２つの光の入力によりその２つの光の入力部分
すべてにおいて前記有機電界発光素子を発光させるＯＲ
演算とを、前記電極への印加電圧により切り替える有機
光演算デバイス。 - 【請求項５】 互いに異なる波長域の光により励起され
て光電流増倍現象を示す２種類の有機半導体層を積層し
たヘテロ接合体にさらに有機電界発光素子を積層一体化
した構造を持つ多層有機薄膜構造、及びその多層有機薄
膜構造に電圧を印加する電極を備えた有機光演算素子を
２つ備え、 前記ヘテロ接合体への光入力がない状態では前記有機電
界発光素子が発光せず、前記ヘテロ接合体の一方の有機
半導体層を励起して光電流増倍を起こす波長をもつ光の
入力により前記有機電界発光素子が発光するようにそれ
ぞれの有機光演算素子に前記電極により電圧を印加して
おき、 光電流増倍を起こす波長の第１の光パターンと、第１の
光パターンと同じパターンで前記ヘテロ接合体の一方の
有機半導体層を励起して光電流増倍を抑制する波長をも
つ第２の光パターンとを一部が重なるように前記２つの
有機光演算素子にそれぞれ入射させるとともに、前記２
つの有機光演算素子からの出力光を２つの光パターンの
重なり部分が一致し第１と第２の光パターンが逆になる
ように合成する光学系を備えて、 第１と第２の光パターンをその重なり部分を除いて発光
させる排他的論理和演算を行なうようにした有機光演算
デバイス。 - 【請求項６】 前記ヘテロ接合体の２種類の有機半導体
層は一方がｐ型、他方がｎ型で、前記ヘテロ接合体がｐ
ｎ接合を形成している請求項１から５のいずれかに記載
の有機光演算デバイス。 - 【請求項７】 ｐ型有機半導体層はフタロシアニン顔
料、ｎ型有機半導体層はペリレン顔料である請求項６に
記載の有機光演算デバイス。 - 【請求項８】 光電流増倍を抑制する前記波長は４００
〜５４０ｎｍである請求項１，２，４，６又は７に記載
の有機光演算デバイス。 - 【請求項９】 前記ヘテロ接合体の２種類の有機半導体
層はフタロシアニン顔料とペリレン顔料であり、光電流
増倍を起こす前記波長は５４０〜８００ｎｍである請求
項３，４，５，６又は７に記載の有機光演算デバイス。 - 【請求項１０】 前記ヘテロ接合体への光入力がない状
態でも前記有機電界発光素子が発光する前記電圧は３５
〜４０Ｖである請求項１，２，４，６，７又は８に記載
の有機光演算デバイス。 - 【請求項１１】 前記ヘテロ接合体への光入力がない状
態では前記有機電界発光素子が発光せず、前記ヘテロ接
合体の一方の有機半導体層を励起して光電流増倍を起こ
す波長をもつ光の入力により前記有機電界発光素子が発
光する前記電圧は１０〜３０Ｖである請求項３，４，
５，６，７又は９に記載の有機光演算デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001142016A JP3585452B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 有機光演算デバイス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001142016A JP3585452B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 有機光演算デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002341395A true JP2002341395A (ja) | 2002-11-27 |
| JP3585452B2 JP3585452B2 (ja) | 2004-11-04 |
Family
ID=18988386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001142016A Expired - Fee Related JP3585452B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 有機光演算デバイス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3585452B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005060012A1 (ja) * | 2003-12-17 | 2005-06-30 | Sumitomo Chemical Company, Limited | 有機光‐光変換デバイス |
| WO2007029648A1 (ja) * | 2005-09-05 | 2007-03-15 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | エレクトロルミネッセンス素子及び表示装置 |
| JP2013045977A (ja) * | 2011-08-25 | 2013-03-04 | Seiko Epson Corp | 受光素子、受発光素子、受発光装置および電子機器 |
| CN105158934A (zh) * | 2015-10-08 | 2015-12-16 | 四川大学 | 一种基于空间光调制器的可调光阑 |
-
2001
- 2001-05-11 JP JP2001142016A patent/JP3585452B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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