JP3585452B2 - 有機光演算デバイス - Google Patents
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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。
【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）。
【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（１９９５）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００１０】
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４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。
【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。
【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。
【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、ＭｅＰＴＣ，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。
【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。
【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Ｃ１１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。
【００１９】
樹脂分散有機半導体層の膜厚は３００〜１０００μｍ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（Ａｌｑ３）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ＴＰＤ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４００〜５４０ｎｍである。また、光電流増倍を起こす波長は５４０〜８００ｎｍ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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 ｏｘｉｄｅ）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４００〜５００ｎｍ）（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６９，７５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７２が有機ＥＬ層（「電子→光」変換層）であり、ＣｕＰｃ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ＣｕＰｃ層７３で吸収され、後で述べる原理によってＣｕＰｃ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ＥＬ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。
【００３４】
図８にＡｕ電極側から赤い光（６８０ｎｍ）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（４８０ｎｍ）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２４００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−ＰＴＣ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。
【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。
【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。
【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１１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。
【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。
【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、ＣｕＰｃ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）１０２Ａ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ＣＣＤ１１２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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図８】図６の素子のオン・オフ応答特性を示す図である。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
【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。
【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）。
【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（１９９５）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００１０】
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４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。
【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。
【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。
【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、ＭｅＰＴＣ，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。
【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。
【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Ｃ１１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。
【００１９】
樹脂分散有機半導体層の膜厚は３００〜１０００μｍ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（Ａｌｑ３）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ＴＰＤ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４００〜５４０ｎｍである。また、光電流増倍を起こす波長は５４０〜８００ｎｍ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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 ｏｘｉｄｅ）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４００〜５００ｎｍ）（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６９，７５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７２が有機ＥＬ層（「電子→光」変換層）であり、ＣｕＰｃ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ＣｕＰｃ層７３で吸収され、後で述べる原理によってＣｕＰｃ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ＥＬ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。
【００３４】
図８にＡｕ電極側から赤い光（６８０ｎｍ）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（４８０ｎｍ）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２４００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−ＰＴＣ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。
【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。
【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。
【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１１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。
【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。
【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、ＣｕＰｃ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）１０２Ａ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ＣＣＤ１１２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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図８】図６の素子のオン・オフ応答特性を示す図である。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
Claims (10)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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ｐｎ接合を形成している請求項１から４のいずれかに記載の有機光演算デバイス。
- 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５に記載の有機光演算デバイス。
- 光電流増倍を抑制する前記波長は４００〜５４０ｎｍである請求項１，２，３，５又は６に記載の有機光演算デバイス。
- 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又は６に記載の有機光演算デバイス。
- 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１，２，３，５，６又は７に記載の有機光演算デバイス。
- 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又は８に記載の有機光演算デバイス。
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