JPH0334480A - 光スイッチング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光照射によって電気回路を低抵抗状態（ＯＮ
状態）及び高抵抗状態（ＯＦＦ状態）の両状態へ可逆的
にスイッチングさせることのできる光スイッチング素子
に関する。

［従来の技術］ 光もしくは光パルスを照射することにより電気回路をス
イッチオフ（ＯＦＦ）の状態からスイッチオン（ＯＮ）
の状態にスイッチする光電気変換デバイスとして、Ｃｄ
ＳやＺｎＯ等の光導電体にオーミック接触な電極を設け
た光導電セルやｐ−ｎ−ρ−ｎ接合の光スイツチダイオ
ード等が広く使用されてきた。

しかしながら、これらの光スイッチング素子は、光導電
体に組み合せる電極材料の選択幅が狭い、電極作成時の
制御がむずかしい、歩留まりが低いなどの構造的な面と
関連した製造上の問題があり、また素子特性においても
温度特性等が充分でないなどの問題を有している。

一方、異種の半導体を層状に交互積層し、長周期構造を
持たせた半導体へテロ構造、超格子構造を有する光スイ
ッチング素子が最近試作されている（　　Ｄ、　Ａ、　
Ｂ、　Ｍｉｌｌｅｒｓ　、　ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆＱｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃｓ、　
１９８５年、ＱＥ−２１巻１４６頁参照）。

この光スイッチング素子に於いては、光照射−非照射に
応じて電気回路を高速スイッチングすることが可能であ
る。しかし、この素子の有する半導体へテロ構造超格子
を形成する為の材料はＧａＡｓやＳｉ等の無機材料に限
定されており、またその作成も複雑なプロセスを必要と
するものであった。

［発明が解決しようとする課！］ 近年、分子素子、バイオ素子が注目されている。

これらは、シリコンテクノロジーの延長線上にある技術
と異なる生体材料、有機材料の特徴ある機能を応用した
素子である。そのような素子として、例えば視覚タンパ
クであるロドプシンを用いた光感応性素子等があげられ
る。

こういった新種のデバイスを用いることにより新エレク
トロニクス分野がひらけることが期待されている。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は生体高分子材料を用いた光スイッチング素子を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光スイッチング素子は、一対の電極に挾持され
た生体高分子を含む光感応性膜と、一対の電極に挾持さ
れた有機絶縁膜とを有し、各電極対の一方の電極がこれ
ら電極対間で共通に設けられていることを特徴とする。

本発明の光スイッチング素子は、一対の電極に挾持され
た生体高分子を含む光感応性膜を有する光受容部と、一
対の電極に挾持された有機絶縁膜を有するスイッチング
部とから構成され、各部の電極の一方が共通化されてい
る構造を有する。

本発明のスイッチング素子においては、スイッチング部
の一対の電極に電界を印加した状態で、光受容部の光感
応性膜に光を照射することによりスイッチング部のＯＮ
状態、ＯＦＦ状態を可逆的に制御可能である。このＯＮ
状態とＯＦＦ状態の遷移の制御はスイッチング部の電極
間の印加電圧の大小により制御できる。

以下図面を参照しつつ本発明の一例を詳細に説明する。

第１図は本発明の光スイッチング素子の一例の断面図で
ある。

この光スイッチング素子は、基板１上に電極２、有機絶
縁膜３、電極４、光感応性膜５、電極６が、この順に積
層された構造を有し、電８ｉ４．６とこれら電極に挾持
された光感応性膜５が光受容部を構成し、電極２．４に
挾持された有機絶縁膜３がスイッチング部を構成してい
る。各電極対の一方の電ＦｉＡ４は、各部で共通化され
ている。

電極６は光感応性膜５への光照射経路中にあり、照射光
に対して光透過性を有するように設けられている。

なお、各層の積層順は第２図に示すように第１図の構成
と逆にすることもできる。

基板１としては、石英、ガラス、ポリメチルメタクリレ
ート、シリコンウェハー等が利用でき、第２図の構成の
場合には光感応性膜が感応する波長の照射光を透過でき
る光透過性の基板が用いられる。

有機絶縁膜３を挾持する電Ｆｉ２．４（制御電極）の形
成には、ＡＩ、Ａｕ、Ｐｄなとの金属を用いることがで
きる。

また光透過性極６としては、光感応性膜が感応する波長
の照射光が透過できる光透過性の電極か用いられ、例え
ばＩＴＯ等の透明電極あるいはＡＩ、Ａｕ、Ｐｄなとの
金属を１０００Å以下の厚さに積層した半透明性電極等
が利用できる。

有機絶縁膜３の厚さは１０００λ以下、好ましくは３０
０Ａ以下であれば良く、成膜の均一性などからラングミ
ュアーブロジェット法（ＬＢ法）で形成されたものが好
適である。

光感応性膜５は、４００　ｎｍ以上の光を吸収する生体
高分子材料であれば良く、好ましくは光を吸収すること
によって膜中で電荷移動の反応を伴なう生体高分子材料
が良い。

この光感応性膜５は、このような特性を得られる生体高
分子材料を利用して形成される。

生体高分子材料としては、所望の特性が得られるもので
あれば種々の材料が利用できる。

例えば、可視光に感応する素膜等のレチナールを含むタ
ンパク質が好適に利用できる。

光感応性膜の厚さは１０００Å以上、好ましくは３００
０入以上であれば良く、成膜の均一性などからＬＢ法で
形成されるのが望ましい。

この光スイッチング素子では、第３図に示すように、制
御電極２．４間に入力電源から例えば適当な大きさの三
角波を印加した後、制御電極２が正になるように適当に
低いバイアス重圧を加えた状態で、電極６を通して光感
応性高分子膜に光照射すると、光感応性高分子が光を吸
収し、その膜内でプロトン移動等の化学反応を起こし、
電荷の分離が行なわれ、制御電極４に重圧が印加される
ことにより、電流計８を利用して計測される制御電極２
．４間の高抵抗（ＯＦＦ）状態が低抵抗（ＯＮ）状態に
スイッチされ、このＯＮ状態は保持することができる。

次に、制御電極２．４間に制御電極２が正になるように
適当に高いバイアス電圧を加えた状態で、電極６を通し
て光感応性高分子膜に光照射すると、上述したプロトン
移動等の化学反応が生じることにより、制御電極２．４
間の低抵抗（ＯＮ）状態が高抵抗（ＯＦＦ）状態にスイ
ッチされる。このＯＦＦ状態もまた保持可能である。

［実施例］ 以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれ
らに限定されるものではない。

実施例１ 以下の操作によって第１図に示す構成の光スイッチング
素子を作製した。

まず、疎水処理されたガラス基板１の表面上に厚さ３０
０Å、幅１ｍｍのＡｕ制御電極２を蒸着法を利用して形
成した。

次に、ガラス基板１のＡｕ制御電極２を有する面に、無
水ピロメリット酸及び４．４°−ジアミノジフェニルエ
ーテルよりなるポリアミック酸（ＰＡＡＤ−Ｐ／ＤＥ）
の薄膜をＬＢ法により形成した。

具体的ニハ、ＰＡＡＤ−Ｐ／ＤＥをＩ　Ｘ　１０−３重
量％の濃度でジメチルセトアミドに溶解させ、得られた
溶液を純水（水温２０℃）の水相上に展開し、表面圧を
２５　ｍ　Ｎ　／　ｍまで高め単分子膜を水相上に形成
させた。その状態で、水相の表面圧を一定に保ちながら
Ａｕ制御電極２を存する吹板１を水面に横切る方向に５
　ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動させながらで浸漬、引き上
げを行ない、２層の単分子累積膜の形成を行なった。同
様の操作を繰り返すことにより計２４層の単分子累積膜
を得た。

得られた単分子累積膜を３００℃で処理してイミド化し
、有機絶縁膜３としてのポリイミド（ＰＩ−Ｐ／ＤＥ）
単分子累積膜を形成した。この単分子累積膜の厚さは約
１０ＯＡであった。

得られた単分子累積膜上に、蒸着法を利用して厚さ１０
００入、１ｍｍの幅で、Ａｕ制御電極２と直交するよう
にＡＩ制御電極４を形成させた。

次に、Ａ１制御電Ｆｉ４上に素膜をｄｉｌ−ＤＭＦ　　
（ジメチルホルムアミド水溶液）に溶解させ、その濃度
を溶液の吸光度（５６０ｎｍ）がｄｉｌ−ＤＭＦに対し
て１になるように調整し、これを５　ｘ　１０−３ｍｏ
ｌ／ＩのＣａ２＋を含み、ｐＨ６，４，水温２０℃の水
相上に展開し、表面圧を２５ｍＮ／ｍまで高め単分子膜
を水相上に形成させた。

表面圧を一定に保ち、基板１のＡＩ制御電極４のある面
に水平付着法により素膜を計１００層累積し、これを光
感応性膜５とした。このＬＢ法に形成された光感応性膜
５の厚さは約５０００人であった。

最後に、蒸着法を利用して光感応性膜５上に、１５０入
の厚さ、１ｍｍの幅で制御電極２と平行になるように光
透過性電極６を形成させ、光スイッチング素子を完成し
た。

この光スイッチング素子に第３図に示すように入力電源
及び電流計を配線し、入力電源から±１０ｖの三角波を
加えた。

その後、制御電極２が正になるように０．２ｖのバイア
ス電圧を加えたところ、電流計８を利用して計測される
制御電極２．４間の抵抗値はＩＭΩ以上（ＯＦＦ状態）
であった。光透過性電極６を通して約１００μｗ／ｃｍ
２の可視光９を照射したところ、第４図（ａ）に示すよ
うに制御電極２．４間の抵抗値が５０Ω以下（ＯＮ状態
）に遷移した。

光照射をやめて再度抵抗値を測定したところ制御電極２
．４間の抵抗値は、５０Ω以下でありＯＮ状態が保持さ
れているのが確認された。

次に、制御電極２が正になるように０．７Ｖのバイアス
電圧を加え、約１００μｗ／ｃＩＩ＋２の可視光を照射
したところ、第４図（ｂ）に示すように制御Ｔｉ８ｉ２
．４間の抵抗値がＩＭΩ以上に遷移し、ＯＦＦ状態に変
化した。光照射をやめて再度抵抗値を測定したところＩ
ＭΩ以上でありＯＦＦ状態が保持されていることが確認
された。

実施例２ 以下の操作によって第２図に示す構成の光スイッチング
素子を作製した。

まず、疎水処理したガラス基板１上に、厚さ１０００Å
、幅１ｍｍのＩＴＯ光透過性電極６を形成した。

次に、このガラス基板１の光透過性電極６を有する面に
、素膜の単分子累積膜をＬＢ法により形成させた。

具体的には素膜をｄｉｌ−ＤＭＦに溶解させｄｉｌ−Ｄ
ＭＦに対する吸光度（５６０ｎｍ）が１になるようにそ
の濃度を調整し、これを５　ｘ　１０−３ｍｏｌ／ｌの
Ｃａ２＋を含み、ｆ）Ｈ６，４，水ｆＡ２０℃の水相上
に展開し、表面圧を２５　ｍ　Ｎ　／　ｍまで高め単分
子膜を水相上に形成させた。

表面圧を一定に保ち、基板１の光透過性電極６形成面に
、水平付着法により素膜を１００層累積し、これを光感
応性膜５を得た。このＬＢ法により得られた光感応性膜
５の厚さは約５０００人であった。

次に、蒸着法を利用して厚さ１０００λ、１ｍｍの幅で
光透過性電極６電極と直交するようにＡ１制御電極４を
形成させた。

次に、基板１のＡ１制御電極４の形成面に以下の操作に
よって単分子累積膜からなる有機絶縁膜３を形成した。

スクアリウム−ビス−６−ｎ−オクチルアズシン（ＳＯ
ＡＺ）をベンゼン／ｎ−ヘキサン混合溶媒（混合比１０
：１）に０．２ｇ／ｌの濃度で溶解し、純水（水温２０
℃）の水相上に展開し、表面圧を２０　ｍ　Ｎ　／　ｍ
まで高め単分子膜を水相−Ｌに形成させた。

表面圧を一定に保ちながら基板１のＡ１制御電極４の形
成面を水面を横切る方向に５ｍｍ／ｍｉｎで移動させて
浸漬、引き上げを行ない、２層の単分子累積膜の形成を
行なった。更にこの操作を繰り返すことにより有機絶縁
膜３としての１２層の単分子累積膜を得た。この単分子
累積膜の厚さは１８０人であった。

得られた有機絶縁膜３上に更に、蒸着法を利用して１０
００Åの厚さ、１ｍｍの幅で光透過性電極６と平行にな
るように制御電極２を形成させ、光スイッチング素子を
完成した。

この光スイッチング素子に第３図に示すように入力電源
及び電流計を配線し、入力電源から±１０ｖの三角波を
加えた。

次に、制御電極４が正になるように０．２ｖのバイアス
電圧を加えたところ、電流計８を利用して計測された制
御電極２．４間の抵抗値はＩＭΩ以上（ＯＦ　Ｆ状態）
であった。

次に、光透過性電極６を通して約１００μＷ／ｃｍ２の
可視光を照射したところ制御電極２．４間の抵抗値が５
０Ω以下（ＯＮ状態）に遷移した。

光照射をやめて再度抵抗値を測定したところ５０Ω以下
でありＯＮ状態が保持されているのが確認された。

更に、この素子に制御電極２が正になるように０．７ｖ
のバイアス電圧を加え、約１００μＷ／ｃｍ２の可視光
を照射したところ制御電極２．４間の抵抗値がＩＭΩ以
上に遷移し、ＯＦＦ状態に変化した。光照射をやめて再
度抵抗値を測定したところＩＭΩ以上でありＯＦＦ状態
が保持されているのが確認された。

実施例３〜１１ 表１に示す材料をそれぞれ用いる以外は実施例１と同様
にして光スイッチング素子を作製し、その光スイッチン
グ性を以下のように評価した。

光スイッチング性の計価： 第３図の測定用回路に各素子をそれぞれ組み込み、実施
例１と同様の操作により各素子のスイッチング性を評価
した。評価基準は以下のとおりである。

×ニスイッチング性を示すが繰返し性、再現性にやや問
題がある △；ときどきスイッチングを起こさない時があり再現性
が完全ではないかあまり問題はない Ｏ；再現性、繰返し性等に優れたスイッチング性を示す ◎；再現性、繰返し性等に非常に優れたスイッチング性
を示す 〔発明の効果〕 本発明の光スイッチング素子は、機能部に有機絶縁膜と
生体由来の高分子を利用した光感応性膜を利用した構造
を有し、これらに組み合せる電極材料の選択幅が広く、
種々の電極材料が利用できる。

また、これら有機絶縁膜と光感応性膜はＬＢ法を利用し
て容易に形成でき、また得られた単分子（累積）膜への
電極等の形成も容易であり、大面積化も可能である。

更に、これらの機能性膜をＬＢ法で形成すれば、分子配
列レベルでの成膜の制御が容易であり、これらの機能性
膜の機能を極めて有効に引゛き出すことができ、また安
定性、温度特性に優れた光スイッチング素子が提供でき
る。

また、本発明の光スイッチング素子は、所望に応じた立
体的な配置で光受容部とスイッチング部を配置でき、こ
れらを積層することでコンパクト化が可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は本発明の光スイッチング素子の断面
図、第３図は本実施例で用いた光スイッチング性の測定
回路図、第４図（ａ）及び（ｂ）は本発明の光スイッチ
ング素子における光−電気特性図であり、第４図（ａ）
はＯＦＦからＯ状態への遷移、第４図（ｂ）はＯＮから
ＯＦＦ状態への遷移過程を示す。 １・・・基板 ２・・・制御電極 ３・・・有機絶縁膜 ４・・・制御電極 ５・・・光感応性膜 ６・・・透光性電極 ７・・・入力電源 ８・・・電流計 ９・・・照射光

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）一対の電極に挾持された生体高分子を含む光感応性
   膜と、一対の電極に挾持された有機絶縁膜とを有し、各
   電極対の一方の電極がこれら電極対間で共通に設けられ
   ていることを特徴とする光スイッチング素子。 ２）生体高分子がレチナールを含むタンパク質である請
   求項１に記載の光スイッチング素子。 ３）光感応性膜が素膜である請求項２に記載の光スイッ
   チング素子。 ４）光感応性膜がラングミュアーブロジェット法で形成
   されたものである請求項１〜３のいずれかに記載の光ス
   イッチング素子。 ５）光感応性膜が単分子膜、２分子膜あるいはその累積
   膜である請求項１〜３のいずれかに記載の光スイッチン
   グ素子。 ６）光感応性膜の膜厚が１０００Å以上である請求項１
   に記載の光スイッチング素子。 ７）光感応性膜の膜厚が３０００Å以上である請求項１
   に記載の光スイッチング素子。 ８）有機絶縁膜がラングミュアーブロジェット法で形成
   されたものである請求項１に記載の光スイッチング素子
   。 ９）有機絶縁膜が単分子膜あるいはその累積膜である請
   求項１に記載の光スイッチング素子。 １０）有機絶縁膜の膜厚が１０００Å以下である請求項
   １または７に記載の光スイッチング素子。 １１）有機絶縁膜の膜厚が３００Å以下である請求項１
   または７に記載の光スイッチング素子。 １２）光感応性膜への光の照射経路にある電極が該照射
   項に対して光透過性を有する請求項１に記載の光スイッ
   チング素子。