JP3607943B2 - Optical input / current output device using photo-induced phase modulation of charge density wave - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング素子またはメモリー素子に関するもので、詳しくは電荷密度波の光誘起位相変調を用いた光入力/電流出力型のスイッチング素子またはメモリー素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光入力/電流(電圧)出力型の素子は、例えばフォトダイオードや光伝導セル(photoconductive cell)のように、半導体のバンド間励起あるいは光電効果による光電流を用いるものが殆どであった。このような素子は、光のエネルギーをそのまま電気のエネルギーに置き換えるだけであるので、オン・オフのスイッチ機能を発現するには別途非線形回路を必要とする。
【0003】
また、フォトトランジスタは光によるオン・オフのスイッチ機能を有するが、情報を記録する作用は素子自体には無く、オン・オフの情報を記録するためには別途メモリー回路またはメモリー素子を必要とする。
【0004】
また、電荷結合素子や光磁気記録素子は素子自体にメモリー機能を有するものの、情報の読み出しには特定の出力回路または磁気検出装置を必要とする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一方、光ファイバによる情報通信網の発展、光コンピュータさらには光ニューロコンピュータの開発等、光を利用した情報および通信処理の開発、実用化にともない、光情報を記録して電子情報として出力する簡易な方式、および光信号による電子回路の簡易なスイッチング方式が必要となってきている。
【0006】
しかし、従来のフォトトランジスタや光磁気記録素子等の光素子を使用する場合は上記の通り追加の回路または追加の装置を必要とし、膨大な光情報を瞬時に取扱うには適さないという問題点がある。
【0007】
したがって、本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、追加の回路または追加の素子を必要とせずに、光情報を処理するのに好適な光−電気スイッチング素子およびメモリー素子を提供することをその目的とする。
【0008】
即ち、上述した従来の技術とは対照的に、本発明においては電荷密度波状態を示す材料の電子状態に光が直接働きかける結果、その物質の電気伝導状態が大きく変化する作用を用いて、光入力/電流出力型のメモリーあるいはスイッチを実現するものである。情報を変換する中間的な回路あるいは中間物質を必要としないで、最も単純な回路構成で光/電気変換の目的を達成しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、電荷密度波の光誘起位相変調が可能な物質により形成された光入力/電流出力素子であって、その表面に形成された一対の電極と、前記一対の電極間に形成された光照射部とを有する光入力/電流出力素子を提供するものである。そして、前記物質はK0.30MoO、Rb0.30MoO、(K1−XRb0.30MoO、NbSe、TaSe、および層状の遷移金属カルコゲナイドを含むグループから選択される物質である光入力/電流出力素子である。また、前記光照射部の近傍に、前記光照射部に光信号を照射するための集光手段を有する光入力/電流出力素子である。
【0010】
本発明による素子は、電荷密度波の光誘起位相変調が可能な物質により形成された光スイッチング素子であって、その表面に形成された一対の電極と、前記一対の電極間に形成された光照射部とを有し、前記物質は前記一対の電極間に所定の電圧を印加することにより形成される電荷密度波が歪んだ状態からなる第1の状態と前記光照射部への光照射により前記電荷密度波の歪みが消失した第2の状態を有する光スイッチング素子である。
【0011】
また本発明による素子は、電荷密度波の光誘起位相変調が可能な物質により形成された光メモリー素子であって、その表面に形成された一対の電極と、前記一対の電極間に形成された光照射部とを有し、前記一対の電極間に所定の電圧を印加することにより形成される電荷密度波が歪むことにより形成される第1の状態と、前記光照射部への光照射により前記第1の状態が消失した第2の状態を有する光メモリー素子である。
【0012】
さらに本発明は、電荷密度波の光誘起位相変調が可能な物質により形成され、その表面に形成された一対の電極と前記一対の電極間に形成された光照射部とを有する光スイッチング素子において、
前記一対の電極間に所定の電圧を印加することにより前記物質に電荷密度波が歪んだ状態を形成して前記電極間を導通状態にする第1のステップと、前記光照射部への光照射により前記電荷密度波の歪んだ状態を消失させる第2のステップとを有する光による電流スイッチング方法である。
【0013】
そして本発明は、電荷密度波の光誘起位相変調が可能な物質により形成され、その表面に形成された一対の電極と前記一対の電極間に形成された光照射部とを有する光メモリー素子において、
前記一対の電極間に所定の電圧以上の第1の電圧を有するオンパルスを印加することにより前記物質に電荷密度波が歪んだ状態を形成して前記電極間を導通可能な第1の状態にするステップと、前記光照射部へのオフパルス光照射により前記電荷密度波の歪みを消失させる第2の状態を形成可能とするステップと、前記一対の電極間に前記第1の電圧より低い第2の電圧を有する信号パルスを印加して、前記メモリー素子が前記第1の状態または前記第2の状態にあるかを検知するステップとを有することを特徴とする前記メモリー素子に所定の情報を記憶する方法である。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。以下の説明は本発明に関する一実施例であり、本発明の一般的原理を図解することを目的とするものであり、本発明をこの実施の形態に具体的に記載された構成のみに限定するものではない。以下の詳細な説明および図面の記載において、同様の要素は同様の参照番号により表される。
【0015】
以下電荷密度波素子の作用について説明する。
電荷密度波状態とは一次元または二次元の電気伝導を示す金属において、電子の密度が空間的に一定の周期で変化し、それに伴って格子が同じ周期で歪んでくる状態をいう。電荷密度波は通常CWD(charge density wave)と略称されることが多い。
【0016】
電荷密度波は電場によって駆動されて電気を伝えることができる。これは局在する多数の電子雲がそれぞれ集団移動している状態に相当する。一方、この電荷密度波の移動は格子欠陥や不純物原子などによるポテンシャルの局在的な変化があると妨げられる。電荷密度波の移動が妨げられている状態を通常「ピン止め」されていると表現し、かかる場合は電子雲の移動は阻止される。
【0017】
電荷密度波がピン止めされると弱い電場では電子雲は動けなくなり電流は流れない、しかし、ある電場以上ではピン止めがはずれ電子雲は動き出す。この状態を密度波の結晶格子に対する「すべり」と表現している。
【0018】
電荷密度波状態にある物質においては、密度波の結晶格子に対する「すべり」が主に電流に寄与する。ところで密度波の位相は、上記の通り通常物質中に不可避的に存在する不純物や格子欠陥などにより空間的にピン止めされており、その「すべり」を誘起するためには一定程度の電圧(しきい電圧V)の印加を必要とする。印加電圧がVを越えると電流は急激に増大するので、この種の物質は本質的に非線形伝導性を示す。
【0019】
さらに、電荷密度波の位相の変調パターンによってすべりの起こりやすさが異なり、従ってVも異なる。例えば、一旦すべりが生じた後は、電流が流れやすいパターンに変化するために、その後はVが減少する(この時のVをVtvと表記する)。
【0020】
次に光を照射すると、上記電流が流れやすいパターンに変形していた変調パターンを平滑化することによりVが増加する(この時のVをVtpと表記する)。このように、しきい電圧には光の照射の有無をメモリーする効果がある。
【0021】
本発明は、材料がもつこの非線形性とメモリー効果を光によって制御するものである。すなわち、光によって密度波の位相変調を平滑化することによりVが増加し、かつこの効果が光照射後もそのまま維持されることを用い、スイッチとメモリー動作をさせるものである。
【0022】
図1は本発明の電荷密度波素子1とその動作を説明するための回路装置の概略図である。本発明では図1に示すように、電荷密度波素子1を構成する電荷密度波状態を示す物質2の表面に一対の電極3,4を設け、これに電圧発生器5により印加する電圧と、レンズ等の集光手段6から供給される光の光量の大小および順序を選択することにより、スイッチングあるいはメモリー機能を実現するものである。
【0023】
図2は本発明の実施の形態における電荷密度波素子1の構造を示す図で、表面および裏面を有する電荷密度波状態を示す物質の結晶片7の表面に一対の電極3、4を設け、この一対の電極3,4間に光照射部12を設けている。電荷密度波状態を示す物質としては、K0.30MoOを使用した。Rb0.30MoO または( K 1−X b 0.30 o を用いることもできる。その他、NbSeやTaSeのような準一次元金属を用いることができ、さらに層状の遷移金属カルコゲナイドを使用することもできる。必要ならば光照射部12の表面に反射防止膜を形成できる。
【0024】
結晶片の厚さは特に制限しないが1〜100μ程度であれば良い。この実施の形態における電極3、4間の間隔は25μであり電極の幅は50μmであるが、本発明はこの値に限定されるものではない。電極3、4としてはマスク蒸着により形成した銀薄膜を用いた。
【0025】
スイッチ動作においては、図3に示すように密度波の流れている状態(i)に光を照射(ii)することにより密度波の位相変調のパターンを平滑化してすべりを止め、その間の電流を遮断(iii)することができる。
【0026】
図4は図2に示す電荷密度波素子の電圧電流特性を示す。実線は光が照射されていない状態における特性であり、点線は波長532nmの光を素子表面に56mW/cmの定常光を照射した場合の特性である。図4に示す実施例において電流が立ち上がる電圧は光が照射されていない状態では0.75vであるが、光が照射された状態では0.97vである。従って電極3,4間にこれらの中間の電圧、例えば0.85〜0.9vを与えておけば、光照射の有無によってこの素子をスイッチすることができる。
【0027】
定常光(56mW/cm)を照射した場合の電極間のインピーダンスの相違を以下に示す。
電極間電圧 光照射無し 光照射有り
0.85v 31.1 MΩ 1.55GΩ
0.90v 4.29MΩ 1.06GΩ
光が照射されていない場合のしきい値電圧(電流が立ち上がる電圧)は結晶内の不純物や格子欠陥により定まるので、一般には不純物の濃度を制御することにより制御することができる。より容易な人為的な制御は格子の乱れが生ずるように結晶の組成比を変えることである。カリウム(K)をルビジウム(Rb)で置き換えた場合の(K1−XRb0.30MoOについてのしきい電界(E(V/cm))変化を図5に示す。
【0028】
既に述べたように、電荷密度波の位相の変調パターンは、一旦すべりが生じた後は電流が流れやすいパターンに変位する。この変調パターンは電圧を取り去っても保存される。このためその後はVが減少ししきい値はVtvとなる。一方、光を照射すると密度波の変調パターンは平滑化し前記すべりによって生じた変調パターンを解消するためしきい値は増加しVtpとなる。このように、電荷密度波素子は光の照射の有無をメモリーする機能を有する。即ち、Vを通電によって低下させた状態、あるいは光照射によってVを増加させた状態は、次にその逆過程を生じさせる外場を印加するまで継続するので、二つの安定値がいずれも特別な操作無しで維持されるメモリーとして動作する。
【0029】
図1に示す回路構成において、電荷密度波素子1のメモリーとしての動作の一例を図6に示す。5はパルス電圧発生器で、入力電圧としてVtp以上の電圧パルス(以下、オンパルスと称する)およびVtv<V<Vtpを満足する電圧のパルス(以下、信号パルスと称する)を図6(a)に示すように所定の周期で発生する。
【0030】
即ち、図6(a)は入力電圧としてVtp以上のオンパルスを発生した後、複数の信号パルスを発生した場合を示す。13は参照抵抗で電荷密度波素子1の出力電流を検知するためのものである。参照抵抗13の両端の電圧をオシロスコープ14で観察する。光信号供給手段(図示せず)からの所定の周期の光パルス(以下、オフパルスと称する)が集光手段6を介してから電荷密度波素子1の表面に照射される。
【0031】
オフパルスとしては、電荷密度波素子の動作表面にエネルギー密度にして少なくとも8.4mJ/cmの光を照射する必要がある。この場合電荷密度波の位相の変調にはエネルギーの総量が問題となるので、例えばピコ秒のパルス光で8.4mJ/cmのエネルギーを照射することによりピコ秒という高速の反転スピードが実現できる。この場合電極間距離を25μm、電極の幅を50μmとすると電極間に総量100nJの光エネルギーを注入することに相当する。逆に、必要ならば非常に微弱な光を長時間照射することにより状態を変移させることも可能である。
【0032】
オフパルスを照射した場合のオフパルスと出力電流との関係を図6(b)および図6(c)に示す。図6(b)においては、オンパルス印加直後にオフパルスを加えることによって、その後の信号パルスが出力電流として現れないオフ状態が次にオンパルスを印加するまで維持されることを示している。
【0033】
また、図6(c)では、オンパルス後に信号パルスを一つ通過させた後オフパルスによって信号パルスが遮断される様子を示している。いずれにしても、オン・オフの両状態はそれぞれ互いにオフパルスとオンパルスによってクリアされ、またクリアされるまではその状態が維持されることを示している。
【0034】
図7は本発明の電荷密度波素子1の第2の構造例を示す図である。例えば単結晶サファイア基板8の表面にRb0.30MoO等の電荷密度波状態を示す物質の薄膜9を例えば0.5μの厚さで形成する。薄膜9の形成にはこの方法に限定するわけではないがレーザアブレーション(laser ablation)法を用いるのが好適である。レーザアブレーション法を用いることにより、電荷密度波材料としてその構成比を厳密に規定する必要のあるRb0.30MoO等を用いる場合において、形成された薄膜の組成比を原材料の組成比に一致させることが可能となる。なお薄膜の厚さは0.1〜1μ程度とすることができる。また、薄膜9は異方性を有するように形成されるもので、このためサファイア基板8等の単結晶基板が用いられる。その他基板としては半導体単結晶基板を用いることができる。電極3,4はマスク蒸着の他リソグラフィーを用いて形成することができる。
【0035】
図7には集光手段として図1のレンズに代えて先端部11が先細りの光ファイバ10を用いた例を示す。先端部11には金属薄膜を蒸着して表面における反射率を上げるのが良い。
【0036】
図7では1個の電荷密度波素子のみを示したが、実際には基板8上に複数の電荷密度波素子を例えば直線状にまたはマトリクス状に配置して使用する。この場合薄膜は例えば化学エッチング等により分離され個々の電荷密度波素子1が形成される。必要ならばこの基板8上に光論理素子等他の光素子を形成することができる。
【0037】
以上、本発明のいくつかの実施の形態について図示しまた説明したが、ここに記載された本発明の実施の形態は単なる一例であり、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、種々の変形が可能であることは明らかである。
【0038】
更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された効果が発明として抽出され得る。
【0039】
【発明の効果】
図3及び図6に示すように、本発明においては、物質に内在する非線形性と光が密度波にもたらすリセット効果を用いることにより、密度波が定常的に流れている状態においては電流をオン・オフする光スイッチとして、またVの変化を生じさせた後外場の無い状態に放置することによって、変化したVの値を記憶するというメモリーとして作用する。
【0040】
本発明により電荷密度波の光誘起位相変調が可能な物質を、単独の物質として外付けの回路を設けることなく光スイッチ素子としてまたはメモリー素子として利用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電荷密度波素子1とその動作を説明するための回路装置の概略図である。
【図2】本発明の電荷密度波素子1の構造例を示す図である。
【図3】光照射によるスイッチ動作を示す図である。
【図4】電荷密度波素子の電圧電流特性を示す図である。
【図5】(K1−XRb0.30MoOについてのしきい電界(E(V/cm))の変化を示す図である。
【図6】電荷密度波素子のメモリーとしての動作の一例を示す図である。
【図7】本発明の電荷密度波素子の第2の構造例を示す図である。
【符号の説明】
1…電荷密度波素子
2…電荷密度波状態を示す物質
3…電極
4…電極
5…パルス電圧発生器
6…集光手段
7…結晶片
8…サファイア基板
9…薄膜
10…光ファイバ
11…先端部
12…光照射部
13…参照抵抗
14…オシロスコープ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching element or a memory element, and more particularly to a light input / current output type switching element or memory element using light-induced phase modulation of a charge density wave.
[0002]
[Prior art]
Most of the optical input / current (voltage) output type devices use a photocurrent due to semiconductor band-to-band excitation or a photoelectric effect, such as a photodiode or a photoconductive cell. Since such an element simply replaces light energy with electric energy as it is, a non-linear circuit is separately required to exhibit an on / off switch function.
[0003]
In addition, the phototransistor has an on / off switch function by light, but there is no function of recording information in the element itself, and a separate memory circuit or memory element is required to record on / off information. .
[0004]
Further, although the charge coupled device and the magneto-optical recording device have a memory function in the device itself, a specific output circuit or a magnetic detection device is required to read out information.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, with the development and practical application of information and communication processing using light, such as the development of information communication networks using optical fibers, the development of optical computers and optical neurocomputers, etc., it is easy to record optical information and output it as electronic information And a simple switching method of an electronic circuit using an optical signal are required.
[0006]
However, when an optical element such as a conventional phototransistor or a magneto-optical recording element is used, an additional circuit or an additional device is required as described above, and there is a problem that it is not suitable for handling a huge amount of optical information instantaneously. is there.
[0007]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an opto-electric switching element and a memory element suitable for processing optical information without requiring an additional circuit or an additional element. Its purpose is to provide.
[0008]
That is, in contrast to the above-described conventional technology, in the present invention, light directly acts on the electronic state of a material exhibiting a charge density wave state, and as a result, the electric conduction state of the substance is changed greatly. An input / current output type memory or switch is realized. The objective of optical / electrical conversion is achieved with the simplest circuit configuration without requiring an intermediate circuit or an intermediate material for converting information.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a light input / current output element formed of a material capable of light-induced phase modulation of a charge density wave, comprising a pair of electrodes formed on a surface of the light input / current output element. An optical input / current output element having a light irradiation part formed between the electrodes is provided. The material is selected from the group comprising K 0.30 MoO 3 , Rb 0.30 MoO 3 , (K 1-X Rb X ) 0.30 MoO 3 , NbSe 3 , TaSe 3 , and a layered transition metal chalcogenide. A light input / current output element which is a material to be processed. Further, the light input / current output element has a condensing means for irradiating the light irradiation unit with an optical signal in the vicinity of the light irradiation unit.
[0010]
An element according to the present invention is an optical switching element formed of a material capable of photoinduced phase modulation of a charge density wave, and includes a pair of electrodes formed on a surface thereof and a light formed between the pair of electrodes. A first state comprising a state where a charge density wave formed by applying a predetermined voltage between the pair of electrodes is distorted and light irradiation to the light irradiation unit. An optical switching element having a second state in which distortion of the charge density wave disappears.
[0011]
An element according to the present invention is an optical memory element formed of a material capable of photoinduced phase modulation of a charge density wave, and is formed between a pair of electrodes formed on a surface thereof and the pair of electrodes. A first state formed by distortion of a charge density wave formed by applying a predetermined voltage between the pair of electrodes, and light irradiation to the light irradiation unit. An optical memory element having a second state in which the first state has disappeared.
[0012]
Furthermore, the present invention provides an optical switching element formed of a material capable of light-induced phase modulation of a charge density wave, and having a pair of electrodes formed on a surface thereof and a light irradiation portion formed between the pair of electrodes. ,
A first step of applying a predetermined voltage between the pair of electrodes to form a state in which a charge density wave is distorted in the substance and bringing the electrodes into a conductive state; and light irradiation to the light irradiation unit And a second step of eliminating the distorted state of the charge density wave.
[0013]
The present invention relates to an optical memory element formed of a material capable of photoinduced phase modulation of a charge density wave, and having a pair of electrodes formed on the surface thereof and a light irradiation part formed between the pair of electrodes. ,
By applying an on-pulse having a first voltage equal to or higher than a predetermined voltage between the pair of electrodes, a state in which a charge density wave is distorted is formed in the substance, and a first state in which conduction between the electrodes is possible A step of forming a second state in which the distortion of the charge density wave is eliminated by irradiating the light irradiation unit with off-pulse light; and a second lower than the first voltage between the pair of electrodes. Applying a signal pulse having a voltage to detect whether the memory element is in the first state or the second state, and storing predetermined information in the memory element Is the method.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The following description is an example of the present invention and is intended to illustrate the general principle of the present invention, and the present invention is limited to only the configuration specifically described in this embodiment. It is not a thing. In the following detailed description and in the drawings, like elements are designated with like reference numerals.
[0015]
The operation of the charge density wave device will be described below.
The charge density wave state refers to a state in which the density of electrons changes in a spatially constant cycle in a metal exhibiting one-dimensional or two-dimensional electrical conduction, and accordingly the lattice is distorted in the same cycle. The charge density wave is often abbreviated as CWD (charge density wave).
[0016]
A charge density wave can be driven by an electric field to conduct electricity. This corresponds to a state in which many localized electron clouds are collectively moving. On the other hand, the movement of the charge density wave is hindered by a local potential change due to lattice defects or impurity atoms. The state in which the movement of the charge density wave is prevented is usually expressed as “pinned”, in which case the movement of the electron cloud is blocked.
[0017]
When the charge density wave is pinned, the electron cloud cannot move and no current flows in a weak electric field, but the pinning is lost and the electron cloud starts moving above a certain electric field. This state is expressed as “slip” with respect to the crystal lattice of the density wave.
[0018]
In a material in a charge density wave state, “slip” on the crystal lattice of the density wave mainly contributes to the current. By the way, the phase of the density wave is spatially pinned by impurities or lattice defects that are inevitably present in the normal material as described above. In order to induce the “slip”, a certain level of voltage (Sh require the application of the threshold voltage V t). Since the current increases rapidly when the applied voltage exceeds V t , this type of material exhibits essentially non-linear conductivity.
[0019]
Furthermore, different likelihood of slippage by the phase modulation pattern of the charge density wave, thus V t are different. For example, once a slip occurs, the pattern changes to a pattern in which current easily flows, and thereafter, V t decreases (V t at this time is expressed as V tv ).
[0020]
Next, when light is irradiated, V t increases by smoothing the modulation pattern that has been deformed into a pattern in which the current easily flows (V t at this time is expressed as V tp ). Thus, the threshold voltage has an effect of memorizing the presence or absence of light irradiation.
[0021]
The present invention controls this nonlinearity and memory effect of the material by light. That, V t is increased by smoothing the phase modulation of the density wave by light, and using that this effect is maintained even after the light irradiation, in which to the switch and memory operations.
[0022]
FIG. 1 is a schematic diagram of a charge density wave device 1 of the present invention and a circuit device for explaining the operation thereof. In the present invention, as shown in FIG. 1, a pair of electrodes 3 and 4 are provided on the surface of a substance 2 showing a charge density wave state constituting the charge density wave device 1, and a voltage applied by a voltage generator 5 is provided on the surface. A switching or memory function is realized by selecting the magnitude and order of the amount of light supplied from the light collecting means 6 such as a lens.
[0023]
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the charge density wave device 1 according to the embodiment of the present invention, in which a pair of electrodes 3 and 4 are provided on the surface of a crystal piece 7 of a substance showing a charge density wave state having a front surface and a back surface, A light irradiation unit 12 is provided between the pair of electrodes 3 and 4. As a substance exhibiting a charge density wave state, K 0.30 MoO 3 was used. Rb 0.30 MoO 3 or (K 1-X R b X ) can also be used 0.30 M o O 3. In addition, a quasi-one-dimensional metal such as NbSe 3 or TaSe 3 can be used, and a layered transition metal chalcogenide can also be used. If necessary, an antireflection film can be formed on the surface of the light irradiation unit 12.
[0024]
The thickness of the crystal piece is not particularly limited, but may be about 1 to 100 μm. In this embodiment, the distance between the electrodes 3 and 4 is 25 μm and the electrode width is 50 μm, but the present invention is not limited to this value. As the electrodes 3 and 4, a silver thin film formed by mask vapor deposition was used.
[0025]
In the switch operation, as shown in FIG. 3, the state (i) where the density wave is flowing is irradiated with light (ii) to smooth the phase modulation pattern of the density wave to stop the slip, and the current between them is reduced. It can be blocked (iii).
[0026]
FIG. 4 shows the voltage-current characteristics of the charge density wave device shown in FIG. A solid line is a characteristic in a state where no light is irradiated, and a dotted line is a characteristic when light having a wavelength of 532 nm is irradiated with 56 mW / cm 2 of steady light on the element surface. In the embodiment shown in FIG. 4, the voltage at which the current rises is 0.75 v when light is not irradiated, but is 0.97 v when light is irradiated. Therefore, if an intermediate voltage between these electrodes 3 and 4 is applied, for example, 0.85 to 0.9 V, this element can be switched depending on the presence or absence of light irradiation.
[0027]
The difference in impedance between the electrodes when irradiated with steady light (56 mW / cm 2 ) is shown below.
Voltage between electrodes Without light irradiation With light irradiation 0.85v 31.1 MΩ 1.55 GΩ
0.90v 4.29MΩ 1.06GΩ
Since the threshold voltage (voltage at which the current rises) when no light is irradiated is determined by impurities or lattice defects in the crystal, it can be generally controlled by controlling the impurity concentration. An easier artificial control is to change the composition ratio of the crystal so that lattice distortion occurs. FIG. 5 shows the threshold electric field (E T (V / cm)) change of (K 1-X Rb X ) 0.30 MoO 3 when potassium (K) is replaced with rubidium (Rb).
[0028]
As described above, the phase modulation pattern of the charge density wave is displaced to a pattern in which current easily flows after slipping. This modulation pattern is preserved even when the voltage is removed. Therefore, thereafter, V t decreases and the threshold value becomes V tv . On the other hand, when the light is irradiated, the modulation pattern of the density wave is smoothed and the modulation pattern generated by the slip is eliminated, so that the threshold value increases and becomes V tp . Thus, the charge density wave device has a function of memorizing the presence or absence of light irradiation. That is, the state in which V t is decreased by energization or the state in which V t is increased by light irradiation continues until the next application of an external field that causes the reverse process. It operates as a memory that is maintained without any special operation.
[0029]
An example of the operation of the charge density wave device 1 as a memory in the circuit configuration shown in FIG. 1 is shown in FIG. Reference numeral 5 denotes a pulse voltage generator. As an input voltage, a voltage pulse equal to or higher than V tp (hereinafter referred to as an on-pulse) and a voltage pulse satisfying V tv <V <V tp (hereinafter referred to as a signal pulse) are shown in FIG. As shown in a), it occurs at a predetermined cycle.
[0030]
That is, FIG. 6A shows a case where a plurality of signal pulses are generated after generating an on pulse of V tp or more as an input voltage. Reference numeral 13 is a reference resistor for detecting the output current of the charge density wave device 1. The voltage across the reference resistor 13 is observed with an oscilloscope 14. A light pulse (hereinafter referred to as an “off pulse”) having a predetermined period from an optical signal supply means (not shown) is applied to the surface of the charge density wave device 1 through the light collecting means 6.
[0031]
As the off pulse, it is necessary to irradiate the operation surface of the charge density wave device with light having an energy density of at least 8.4 mJ / cm 2 . In this case, since the total amount of energy becomes a problem for the modulation of the phase of the charge density wave, for example, by applying 8.4 mJ / cm 2 of energy with picosecond pulse light, a high inversion speed of picosecond can be realized. . In this case, if the distance between the electrodes is 25 μm and the width of the electrodes is 50 μm, this corresponds to injecting a total amount of light energy of 100 nJ between the electrodes. On the contrary, if necessary, the state can be changed by irradiating very weak light for a long time.
[0032]
FIG. 6B and FIG. 6C show the relationship between the off pulse and the output current when the off pulse is irradiated. FIG. 6B shows that by applying an off pulse immediately after application of an on pulse, an off state in which a subsequent signal pulse does not appear as an output current is maintained until the next on pulse is applied.
[0033]
FIG. 6C shows a state in which the signal pulse is blocked by the off pulse after passing one signal pulse after the on pulse. In any case, both the on and off states are cleared by the off pulse and the on pulse, respectively, and the state is maintained until cleared.
[0034]
FIG. 7 is a diagram showing a second structural example of the charge density wave device 1 of the present invention. For example, a thin film 9 of a material showing a charge density wave state such as Rb 0.30 MoO 3 is formed on the surface of the single crystal sapphire substrate 8 with a thickness of 0.5 μm, for example. The formation of the thin film 9 is not limited to this method, but it is preferable to use a laser ablation method. By using the laser ablation method, when using Rb 0.30 MoO 3 or the like that requires a strict definition of the composition ratio as the charge density wave material, the composition ratio of the formed thin film matches the composition ratio of the raw material. It becomes possible to make it. The thickness of the thin film can be about 0.1 to 1 μm. The thin film 9 is formed so as to have anisotropy, and therefore, a single crystal substrate such as the sapphire substrate 8 is used. As the other substrate, a semiconductor single crystal substrate can be used. The electrodes 3 and 4 can be formed by lithography other than mask vapor deposition.
[0035]
FIG. 7 shows an example in which an optical fiber 10 having a tapered tip 11 is used instead of the lens shown in FIG. It is preferable to deposit a metal thin film on the tip portion 11 to increase the reflectance at the surface.
[0036]
Although only one charge density wave device is shown in FIG. 7, actually, a plurality of charge density wave devices are arranged on the substrate 8 in, for example, a linear form or a matrix form. In this case, the thin film is separated by, for example, chemical etching to form individual charge density wave elements 1. If necessary, another optical element such as an optical logic element can be formed on the substrate 8.
[0037]
Although several embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the embodiments of the present invention described herein are merely examples, and various embodiments can be made without departing from the technical scope of the present invention. It is clear that deformation is possible.
[0038]
Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiment, at least one of the problems described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. In the case where at least one of the existing effects is obtained, an effect obtained by deleting this constituent element can be extracted as an invention.
[0039]
【The invention's effect】
As shown in FIGS. 3 and 6, in the present invention, by using the nonlinearity inherent in the substance and the reset effect that light brings to the density wave, the current is turned on in a state where the density wave is flowing constantly. · as an off optical switch, also by leaving the absence of Kosoto field was caused changes in V t, it acts as a memory that stores the value of the changed V t.
[0040]
According to the present invention, a substance capable of light-induced phase modulation of a charge density wave can be used as an optical switch element or a memory element without providing an external circuit as a single substance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a charge density wave device 1 of the present invention and a circuit device for explaining its operation.
FIG. 2 is a view showing a structural example of a charge density wave device 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a switch operation by light irradiation.
FIG. 4 is a diagram showing voltage-current characteristics of a charge density wave device.
FIG. 5 is a diagram showing a change in threshold electric field (E T (V / cm)) for (K 1-X Rb X ) 0.30 MoO 3 .
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an operation of a charge density wave device as a memory.
FIG. 7 is a diagram showing a second structural example of the charge density wave device of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Charge density wave element 2 ... Material which shows a charge density wave state 3 ... Electrode 4 ... Electrode 5 ... Pulse voltage generator 6 ... Condensing means 7 ... Crystal piece 8 ... Sapphire substrate 9 ... Thin film 10 ... Optical fiber 11 ... Tip Unit 12 ... Light irradiation unit 13 Reference resistance 14 Oscilloscope

Claims (6)

K 0.30 o 、R b 0.30 o 、( K 1−X b 0.30 o 、N b e 、T a e 、および層状の遷移金属カルコゲナイドを含むグループから選択された物質により形成された光入力/電流出力素子であって、その表面に形成された一対の電極と、前記一対の電極間に形成された光照射部とを有することを特徴とする光入力/電流出力素子。 K 0.30 M o O 3, R b 0.30 M o O 3, (K 1-X R b X) 0.30 M o O 3, N b S e 3, T a S e 3 and layered, A light input / current output element formed of a material selected from a group including a transition metal chalcogenide, a pair of electrodes formed on a surface thereof, and a light irradiation unit formed between the pair of electrodes, An optical input / current output element comprising: 前記光照射部の近傍に、前記光照射部に光信号を照射するための集光手段を有することを特徴とする請求項1記載の光入力/電流出力素子。The light input / current output element according to claim 1, further comprising a condensing unit for irradiating the light irradiation unit with an optical signal in the vicinity of the light irradiation unit. K 0.30 o 、R b 0.30 o 、( K 1−X b 0.30 o 、N b e 、T a e 、および層状の遷移金属カルコゲナイドを含むグループから選択された物質により形成された光スイッチング素子であって、その表面に形成された一対の電極と、前記一対の電極間に形成された光照射部とを有し、
前記一対の電極間に所定の電圧を印加することにより形成される電荷密度波が歪んだ状態からなる第1の状態と前記光照射部への光照射により前記電荷密度波の歪みが消失した第2の状態を有することを特徴とする光スイッチング素子。
K 0.30 M o O 3, R b 0.30 M o O 3, (K 1-X R b X) 0.30 M o O 3, N b S e 3, T a S e 3 and layered, An optical switching element formed of a material selected from a group including a transition metal chalcogenide having a pair of electrodes formed on a surface thereof and a light irradiation portion formed between the pair of electrodes. ,
The first state, in which the charge density wave formed by applying a predetermined voltage between the pair of electrodes is distorted, and the distortion of the charge density wave disappeared by the light irradiation to the light irradiation part. An optical switching element having a state of 2.
K 0.30 o 、R b 0.30 o 、( K 1−X b 0.30 o 、N b e 、T a e 、および層状の遷移金属カルコゲナイドを含むグループから選択された物質により形成された光メモリー素子であって、その表面に形成された一対の電極と、前記一対の電極間に形成された光照射部とを有し、
前記一対の電極間に所定の電圧を印加することにより形成される電荷密度波が歪んだ状態からなる第1の状態と前記光照射部への光照射により前記電荷密度波の歪みが消失した第2の状態を有することを特徴とする光メモリー素子。
K 0.30 M o O 3, R b 0.30 M o O 3, (K 1-X R b X) 0.30 M o O 3, N b S e 3, T a S e 3 and layered, An optical memory element formed of a material selected from the group containing transition metal chalcogenides, comprising a pair of electrodes formed on the surface thereof, and a light irradiation part formed between the pair of electrodes. ,
The first state, in which the charge density wave formed by applying a predetermined voltage between the pair of electrodes is distorted, and the distortion of the charge density wave disappeared by the light irradiation to the light irradiation part. An optical memory device characterized by having a state of 2.
K 0.30 o 、R b 0.30 o 、( K 1−X b 0.30 o 、N b e 、T a e 、および層状の遷移金属カルコゲナイドを含むグループから選択された物質により形成され、その表面に形成された一対の電極と前記一対の電極間に形成された光照射部とを有する光スイッチング素子において、
前記一対の電極間に所定の電圧を印加することにより前記物質に電荷密度波が歪んだ状態を形成して前記電極間を導通状態にする第1のステップと、
前記光照射部への光照射により前記電荷密度波状態の歪を消失させる第2のステップと
を有することを特徴とする光による電流スイッチング方法。
K 0.30 M o O 3, R b 0.30 M o O 3, (K 1-X R b X) 0.30 M o O 3, N b S e 3, T a S e 3 and layered, In an optical switching element having a pair of electrodes formed on a surface thereof and a light irradiation part formed between the pair of electrodes, formed of a material selected from a group including a transition metal chalcogenide of
A first step of forming a state in which a charge density wave is distorted in the substance by applying a predetermined voltage between the pair of electrodes and bringing the electrodes into a conductive state;
And a second step of eliminating distortion of the charge density wave state by irradiating the light irradiating unit with light.
K 0.30 o 、R b 0.30 o 、( K 1−X b 0.30 o 、N b e 、T a e 、および層状の遷移金属カルコゲナイドを含むグループから選択された物質により形成され、その表面に形成された一対の電極と前記一対の電極間に形成された光照射部とを有する光メモリー素子において、
前記一対の電極間に所定の電圧以上の第1の電圧を有するオンパルスを印加することにより前記物質に電荷密度波が歪んだ状態を形成して前記電極間を導通可能な第1の状態にするステップと、
前記光照射部へのオフパルス光照射により前記電荷密度波の歪みを消失させる第2の状態を形成可能とするステップと、
前記一対の電極間に前記第1の電圧より低い第2の電圧を有する信号パルスを印加して、前記メモリー素子が前記第1の状態または前記第2の状態にあるかを検知するステップと
を有することを特徴とする前記メモリー素子に所定の情報を記憶する方法。
K 0.30 M o O 3, R b 0.30 M o O 3, (K 1-X R b X) 0.30 M o O 3, N b S e 3, T a S e 3 and layered, In an optical memory element having a pair of electrodes formed on a surface thereof and a light irradiation portion formed between the pair of electrodes, formed of a material selected from a group including a transition metal chalcogenide of
By applying an on-pulse having a first voltage equal to or higher than a predetermined voltage between the pair of electrodes, a state in which a charge density wave is distorted is formed in the substance, and a first state in which conduction between the electrodes is possible Steps,
Enabling the formation of a second state in which the distortion of the charge density wave is eliminated by irradiation of off-pulse light to the light irradiation unit;
Applying a signal pulse having a second voltage lower than the first voltage between the pair of electrodes to detect whether the memory element is in the first state or the second state; A method for storing predetermined information in the memory element.
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