JPH06131485A - ニューロ学習方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 少なくとも一方の電極が光透過性を有する電
極間に光電変換層と一定の波長の光により変化した導電
性を光遮断後も持続させる機能を有するメモリー層とを
有する光情報処理素子を用い、該素子にメモリー層の導
電性を変化させる波長の光を照射する際に、該素子への
光照射方法、印加電圧あるいは該素子の温度を変化させ
て該素子のメモリー性を制御することを特徴とするニュ
ーロ学習方法。 【効果】 光照射により受光感度が変化する機能を有
し、この状態が長時間安定に記憶、保持され、加熱によ
る可逆的な記憶の消去が可能であるという特徴を有する
光情報処理素子を利用し、光照射方法、印加電圧あるい
は素子の温度により記憶を連続的に制御するニューロ学
習方法を与えるもので、パターン認識、演算処理、視覚
情報処理、ニューロコンピューター、センサー等各種用
途に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号に対する応答感
度を制御光により変化させることが可能で、変化した応
答感度を素子の内部に長時間記憶させておくことができ
る、パターン認識等の視覚情報処理、ニューロコンピュ
ーターに適した新規な光情報処理素子を用いたニューロ
学習方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ニューラルネットワークによる情
報処理によって、従来困難であった連想記憶、学習等
の、本来脳、神経系特有のものと考えられてきた情報処
理が可能になると考えられるようになってきた。また、
ニューラルネットワークをハードウエアとして実現しよ
うとする試みも多数なされるようになってきた。

【０００３】また、光の持つ並列性すなわち多くの情報
を同時に伝送したり処理したりする能力、そして配線、
クロストーク等における優位性、アナログ性、画像の直
接処理能力等の利点から、光ニューラルネットワーク、
光ニューロコンピューターに対する期待が高まってい
る。その際、ニューラルネットワークの構成単位である
ニューロ素子においては、入力情報に応じて、その１つ
１つの入力情報に対して重みづけする、生体の神経細胞
のシナプスに相当する部分が必要となる。更に、この重
みづけの度合いがアナログ的に変更可能で、変更後は長
時間記憶、保持される特性を有することがより望まし
い。

【０００４】そのようなシナプス相当部を備えたニュー
ロ素子のモデルとして提唱されたものとしては、図５に
挙げるマッカローとピッツのモデルがある。このモデル
においては、ｉ番目の入力信号ｕ_i がシナプス相当部で
重み係数ｗ_i と積算され、この重みづけされた信号はす
べて加算されて、出力部において非線形的な関数ｇ
（ｘ）（デルタ関数、シグモイド型関数等）に従って出
力ｖががなされる。 ｖ = ｇ （Σ ｗ_i ・ｕ_i ） …＜１＞ この際、重み係数ｗ_i がアナログ的に可変であり、入力
信号に対する荷重の度合いが変化、保持されることが学
習、記憶、認識等の情報処理を実現するために不可欠で
あると考えられている。

【０００５】このようなモデルに従った光情報処理素子
の開発においては上記の生体のシナプス相当部をいかに
実現するかが鍵になっており、その一例としては特開平
４−５６３６号に見られるように、空間光変調器によっ
て光の透過率を制御する方法がある。この方法によれ
ば、光の透過率の大小で上記式１における重み係数ｗi
に相当する重みづけを行うことができる。しかし、光の
透過率の制御に当たっては外部からの制御が必要であ
り、制御した透過率の値は外部演算装置によらねば記憶
することはできず、また、空間光変調器で実現できる学
習前後でのコントラストには限界がある。

【０００６】また、特開平４−９００１５号に見られる
ように、フォトダイオードからなる受光素子に対して外
部から制御電圧を加えて受光感度、すなわち光信号に対
する電気応答の度合いを変調することによって重みづけ
を実現する試みも行われているが、この素子においても
記憶機能を有していないため外部演算装置の併用が不可
欠である。

【０００７】この素子に記憶機能を付与したものとして
は、電子技術誌、１９９２年、１月号、２５頁〜２７頁
に示された記憶機能内蔵型の素子が挙げられる。この素
子においては、金属−ガリウムひ素接合により形成され
た接合部に制御光を照射することによって形成される空
間電荷の影響によって信号光に対する検出感度が増大、
保持されると考えられており、この検出感度の変化を利
用して重みづけを行っている。しかし、検出感度の増加
はせいぜい数倍程度であり、増大した検出感度は約２０
分程度でなくなるため、記憶機能として十分であるとは
言いがたい。

【０００８】以上述べたように、従来の光情報処理方法
においては、入力情報に対する重み係数の制御を外部機
器からの操作によって行ったり、重み係数の記憶を外部
演算装置で行う等、外部装置に依存し、記憶機能を有し
ていない素子によるものがほとんどであった。また、記
憶機能を有している素子を使用した場合にしても、記憶
の保持時間が極めて短いことや記憶時と非記憶時の差が
小さい等の欠点があった。

【０００９】本発明者等は、上記実情に鑑み、光照射に
よりシナプス相当部の重み係数が変化する機能を有し、
この状態が長時間安定に記憶、保持される一方、加熱に
よる可逆的な記憶の消去が可能であるという特徴を有す
る光情報処理素子を完成した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
光情報処理素子の使用に際しては、光情報に対して学
習、記憶、認識等の情報処理を効果的に行わせる必要が
ある。特に、シナプス相当部の重み係数をアナログ的に
制御することが必要になる。本発明は上記のような問題
点を解決するためになされたもので、光照射方法、印加
電圧及び温度を制御することにより、光情報処理素子の
シナプス相当部の重み係数をアナログ的に制御するニュ
ーロ学習方法を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも一
方が光透過性を有する電極間に光電変換層と一定の波長
の光により変化した導電性を光遮断後も持続させる機能
を有するメモリー層とを有する光情報処理素子を用い、
該素子にメモリー層の導電性を変化させる波長の光を照
射する際に、該素子への光照射方法、印加電圧あるいは
該素子の温度を変化させて該素子のメモリー性を制御す
ることを特徴とするニューロ学習方法に存する。

【００１２】以下、本発明を詳細に説明する。まず、本
発明の対象となる光情報処理素子について説明する。上
記の光情報処理素子は、少なくとも一方が光透過性を有
する電極間に光電変換層と一定の波長の光により変化し
た導電性を光遮断後も持続させる機能を有するメモリー
層を有する。

【００１３】電極について説明する。電極は、支持体上
に導電性薄膜層として形成される。支持体としては、石
英やガラスの板、金属板や金属箔、プラスチックフィル
ムやシート等が用いられるが、ガラス板、透明なプラス
チック（ポリエステル、ポリメタクリレート、ポリカー
ボネート）の板等が好ましい。電極として用いることの
できる金属板等は支持体を兼ねることができる。

【００１４】電極形成材料は、通常、アルミニウム、
金、銀、白金、カドミウム、ニッケル、インジウム、パ
ラジウム、テルル等の金属、インジウム及び／又はスズ
等の金属の酸化物、ヨウ化銅、カーボンブラック、ポリ
（３ーメチルチオフェン）やポリピロール等の導電性樹
脂が用いられる。導電性薄膜層は、電極形成材料が金属
や金属酸化物の場合は、通常は、スパッタリング法、真
空蒸着法等により形成されるが、電極形成材料の種類に
よっては他の方法により形成されてもよい。例えば、銀
等の金属微粒子、ヨウ化銅、カーボンブラック、導電性
の金属酸化物微粒子、導電性樹脂粉末等の場合には、適
当なバインダー樹脂溶液に電極形成材料を分散させた
後、支持体上に塗布する方法により形成すことができ
る。更に、導電性樹脂の場合は、電解重合により、直接
支持体上に形成することもできる。導電性薄膜層は、異
なる物質で積層することも可能である。

【００１５】導電性薄膜層の厚さは、特に制約はない
が、均一な導電性発現のためには少なくとも５０Å以上
とするのが好ましい。一方、光透過性が必要な場合は、
透過率を満足する膜厚以上にならないようにする必要が
ある。膜厚が厚くなる塗布法による場合でも、膜厚は通
常１００μｍ以下である。本発明においては、電極の少
なくとも一方が光透過性電極であることが必要である。
光透過性は、必ずしも全波長領域にわたる必要はない
が、少なくともメモリー層、光電変換層が吸収する光の
波長領域での光透過性が要求される。光の透過率は、高
いほど照射光の効率上好ましい。透過率としては少なく
とも１０％以上、実用上は３０％以上、好ましくは６０
％以上が必要である。

【００１６】次に、電極間に形成される光電変換層及び
メモリー層について説明する。光電変換層は、光を吸収
して正負の電荷分離により電荷キャリアーを発生させる
光導電性材料からなり、必要により、バインダー樹脂、
長鎖アルキル脂肪酸等の絶縁性材料、芳香族アミン、ヒ
ドラゾン化合物等のキャリアー輸送材料その他の添加物
と共に形成される。

【００１７】光導電性材料としては電子写真や太陽電池
等に用いられている光導電性材料が用いられる。無機系
の光導電性材料としては無定形セレンやセレン−テル
ル、セレン−ヒ素等のセレン合金、無定形シリコン、硫
化カドミウム、酸化亜鉛等が挙げられる。有機系の光導
電性材料としては、各種の色素や顔料が挙げられる。こ
のような例としては公知の文献で光電変換色素、電荷キ
ャリアー生成材料等として知られている化合物が挙げら
れる。

【００１８】文献例としては「電子写真技術の基礎と応
用」４３７頁−４４８頁（電子写真学会編、コロナ社、
１９８８年）、色材協会誌 ４７巻 ５９４頁−６０４
頁（丸山勝次、１９７４年）、「ＬＢ膜とエレクトロニ
クス」１９３頁−２０４頁（シーエムシー、１９８６
年）、「有機電子材料」９４頁−１０１頁（応用物理学
会編、オーム社、１９９０年）等がある。

【００１９】このような化合物の例としては、ポルフィ
リン系、シアニン系、メロシアニン系、ピリリウム系、
チアピリリウム系、トリアリールメタン系、スクアリリ
ウム系、アズレニウム系等の色素、ペリレン系、多環キ
ノン系、ピロロピロール系等の縮合環系色素、フタロシ
アニン系色素、アゾ系色素等が挙げられる。フタロシア
ニン系色素としては、無金属フタロシアニン系色素と共
に銅、バナジウム、インジウム、チタン、アルミニウ
ム、スズ、マグネシウム等の金属配位フタロシアニンの
各種結晶型色素を用いてもよい。アゾ系色素としては、
主にジスアゾ系、ビスアゾ系、トリスアゾ系色素が顔料
粒子の形で用いられる。

【００２０】メモリー層は、分子内に１個以上の窒素原
子を有する正孔輸送性の低分子化合物や、光の照射によ
り変化した導電性を光遮断後も持続させるメモリー性付
与機能を有する化合物等をバインダーポリマー中に分散
して構成される。まず、正孔輸送性の低分子化合物につ
いて説明する。正孔輸送性の低分子化合物は、メモリー
層の電荷キャリアーである正孔の輸送担体として作用す
る。正孔輸送現象は分子間の電子移動あるいは酸化還元
反応と見なすことができ、効果的な正孔輸送のために
は、イオン化ポテンシャルが小さい電子供与性化合物が
適している。

【００２１】本発明においては、上記の主旨から、正孔
輸送性の低分子化合物として、好ましくは分子内に１個
以上の窒素原子を有する化合物を用いる。特に、窒素原
子がπ電子共役系に結合し、分子間の配向配列性が良好
な化合物が好適である。また、窒素原子の形態として
は、ジエチルアミノ基のようなジアルキルアミノ基、ジ
フェニルアミノ基のようなジアリールアミン基等により
芳香族炭化水素や芳香族複素環に直接結合したアミノ
基、同様に、芳香族炭化水素や芳香族複素環に結合した
ヒドラゾ基、ヒドラゾノ基が挙げられ、その他には複素
環を構成する窒素原子が挙げられる。そして、複素環の
例としては、カルバゾール、インドール、ピラゾール、
ピラゾリン、オキサゾール等が挙げられる。

【００２２】上記のような正孔輸送性の低分子化合物
は、高分子化合物に比べて製造が容易であり、また、精
製による不純物の除去も容易なため、不純物に由来する
トラップ形成等によるメモリー特性の低下が少ない。更
に、低分子化合物は、一般的にバインダーポリマーとの
相溶性に優れているため、メモリー層中の含有量を増や
すことにより正孔の移動度を高めることも容易である。

【００２３】本発明においては、正孔輸送性の低分子化
合物として、ヒドラゾン化合物、特に、下記の化学式
［化１］で表されるヒドラゾン化合物が好適に用いられ
る。

【００２４】

【化１】

【００２５】上記の化学式［化１］中、Ａは少なくとも
一個の芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を含む１価又
は２価の有機基を表し、そして、これらの環は置換基を
有していてもよい。具体的には次の（ａ）〜（ｄ）に記
載の有機基が挙げられる。 （ａ）ベンゼン、ナフタリン、アントラセン、ピレン、
ペリレン、フェナントレン、フルオランテン、アセナフ
テン、アセナフチレン、アズレン、フルオレン、インデ
ン、テトラリン、ナフタセン等から誘導される１価又は
２価の有機基。当該有機基は、少なくとも１個の芳香族
炭化水素環を含む例である。

【００２６】（ｂ）ピロール、チオフェン、フラン、イ
ンドール、カルバゾール、ピラゾール、ピリジン、アク
リジン、フェナジン、ベンゾチオフェン、ベンゾフラン
等から誘導される１価又は２価の有機基。当該有機基
は、少なくとも１個の芳香族複素環を含む例である。 （ｃ）上記の各有機基が直接結合した化合物から誘導さ
れる１価又は２価の有機基。

【００２７】上記の化合物としては、ビフェニル、ター
フェニル、フェニルアントラセン、ビチオフェン、ター
チオフェン、ビフラン、チエニルベンゼン、チエニルナ
フタリン、ピロリルチイオフェン、Ｎ−フェニルカルバ
ゾール等が挙げられる。 （ｄ）上記の各有機基が結合基を介して結合した化合物
から誘導される１価又は２価の有機基。

【００２８】上記の結合基としては、下記の化学式［化
２］で表されるような置換基を有していてもよいアルキ
レン基又は下記の化学式［化３］で表されるような２価
の有機基が挙げられる。また、斯かるアルキレン基及び
２価の有機基を組合わせた結合基が挙げられる。

【００２９】

【化２】

【００３０】

【化３】

【００３１】（ｄ）に該当する化合物の具体例として
は、結合基により前記の芳香環や複素環が縮合環を形成
した、例えば、キサンテン、チオキサンテン、インドリ
ン、フェノチアジン、下記の化学式［化４］で表される
化合物等が挙げられる。

【００３２】

【化４】

【００３３】また、上記の他に、（ｄ）に該当する化合
物の具体例としては、ジフェニルメタン、スチルベン、
トラン、１，４−ジフェニルフタジエン、ジフェニルエ
ーテル、ジフェニルスルフィド、Ｎ−メチルジフェニル
アミン、トリフェニルアミン、アゾベンゼン等が挙げら
れる。更にまた、これらの化合物のベンゼン環の代わり
に、他の芳香環や複素環を結合基を用いて組合わせた化
合物等が挙げられる。

【００３４】前記の（ａ）〜（ｄ）における芳香族炭化
水素環及び／又は芳香族複素環が有していてもよい置換
基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル
基、ブチル基、ヘキシル基等の低級アルキル基、メトキ
シ基、エトキシ基、ブトキシ基等の低級アルコキシ基、
アリル基、ベンジル基、ナフチルメチル基、フェネチル
基等のアラルキル基、フェノキシ基、トリオキシ基等の
アリールオキシ基、ベンジルオキシ基、フェネチルオキ
シ基等のアリールアルコキシ基、フェニル基、ナフチル
基等のアリール基、スチリル基、ナフチルビニル基等の
アリールビニル基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ
基等のジアルキルアミノ基が挙げられる。そして、これ
らの置換基中のアルキル成分には、エーテル基、エステ
ル基、シアノ基、スルフィド基等が含有されていてもよ
い。

【００３５】前記の化学式［化１］中、Ｒ¹、Ｒ²、
Ｒ³、Ｒ⁴及びＲ⁵は、水素原子又は置換基を有していて
もよいアルキル基、アラルキル基、芳香族炭化水素基、
複素環基を表す。Ｒ¹〜Ｒ⁵の具体例としては、メチル
基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基等の
低級アルキル基、ベンジル基、フェネチル基等のアラル
キル基、フェニル基、ナフチル基、アセナフチル基、ア
ントリル基、ピレニル基等のＡにおけるのと同様の芳香
族炭化水素基、チエニル基、ビチエニル基、カルバゾル
基、インドリル基、フリル基、インドリン基等のＡにお
けるのと同様の複素環基が挙げられる。

【００３６】そして、上記のＲ¹〜Ｒ⁵の各有機基が有し
ていてもよい置換基としては、メチル基、エチル基、プ
ロピル基、ブチル基、ヘキシル基等の低級アルキル基、
メトキシ基、エトキシ基、ブトキシ基等の低級アルコキ
シ基、フェノキシ基、トリオキシ基等のアリールオキシ
基、ベンジルオキシ基、フェネチルオキシ基等のアリー
ルアルコキシ基、フェニル基、ナフチル基等のアリール
基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、フェニルメ
チルアミノ基、ジフェニルアミノ基等の置換アミノ基等
が挙げられる。

【００３７】但し、Ｒ¹ はＡと一体となって環を形成し
てもよい。このような例としては、下記の化学式［化
５］で表される有機基等が挙げられる。

【００３８】

【化５】

【００３９】前記の化学式［化１］中、Ｒ⁶及びＲ⁷は、
置換基を有していてもよいアルキル基、アラルキル基、
アリル基、芳香族炭化水素基又は複素環基を表す。具体
的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチン基等
の低級アルキル基、ベンジル基、フェネチル基、ナフチ
ルメチル基等のアラルキル基、アリル基、フェニル基、
ナフチル基等の芳香族炭化水素基、ピリジル基、チエニ
ル基、フリル基、ピロリル基等の複素環基を表す。これ
らが有していてもよい置換基としては、前記Ｒ ¹、Ｒ²、
Ｒ³、Ｒ⁴及びＲ⁵におけるのと同様の置換基が挙げられ
る。

【００４０】但し、Ｒ⁶及びＲ⁷は一体となって環を形成
してもよく、このような例としては、下記の化学式［化
６］で表される有機基等が挙げられる。

【００４１】

【化６】

【００４２】前記の化学式［化１］中、ｌは０又は１、
ｍは０、１又は２、ｎは１又は２である。尚、ｎはＡが
１価の基の場合には１を、２価の基の場合は２を表す。
前記の化学式［化１］で表されるヒドラゾン化合物の中
では、特に、Ａがカルバゾール環であるヒドラゾン化合
物が好ましい。下記の化学式［化７］は、斯かるヒドラ
ゾン化合物の幾つかを例示したものである。

【００４３】

【化７】

【００４４】次に、メモリー性付与機能を有する化合物
について説明する。メモリー性は数多くの化合物により
達成することができる。代表的な化合物としては、例え
ば、クロロ酢酸、オルソベンゾイル安息香酸等のプロト
ン酸、芳香族ジアゾニウム塩、ロイコクリスタルバイオ
レット、ロイコマラカイトグリーン等のトリアリールメ
タン類、ヨウ化メチレン、ヘキサクロロエタン等のハロ
ゲン化炭化水素、１，３，５−トリブロモベンゼン、
９，１０−ジクロロアントラセン、９，１０−ジブロモ
アントラセン等の芳香族ハロゲン化合物、ベンズアミ
ド、ニトロフェノール、ニトロアニリン、ヘキサクロロ
アセトン、ブロモアセトフェノン等のハロゲン化ケトン
化合物、塩化アセチル、臭化アセチル、クロロベンゾイ
ルクロリド等のハロゲン化アシル化合物、無水フタル酸
等の酸無水物、チオミヒェラーズケトン等のチオケトン
が挙げられる。

【００４５】特に、塩素原子及び／又は臭素原子が２つ
以上置換した芳香族ハロゲン化合物又は下記の化学式
［化８］で表されるチオケトンが好ましい。

【００４６】

【化８】

【００４７】上記の化学式［化８］中、Ａｒ¹、Ａｒ
²は、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は芳香
族複素環基を表し、具体的には、前記の化学式［化１］
中のＡにおけるのと同様の芳香族炭化水素基又は芳香族
複素環基が挙げられる。下記の化学式［化９］は、好ま
しいチオケトン類を例示したものである。

【００４８】

【化９】

【００４９】次に、バインダーポリマーについて説明す
る。バインダーポリマーとしては、前記の各化合物との
相溶性が良好であり、更に、電荷キャリアーの層内移動
に対して悪影響を及ぼさないポリマーが好ましい。例え
ば、スチレン、酢酸ビニル、塩化ビニル、アクリル酸エ
ステル、メタクリル酸エステル、ブタジエン等のビニル
化合物の重合体及び共重合体、ポリビニルアセタール、
ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスルホン、ポリ
フェニレンオキシド、ポリウレタン、セルロースエステ
ル、セルロースエーテル、アルキド樹脂、フェノキシ樹
脂、ケイ素樹脂、エポキシ樹脂が挙げられる。これらの
中では、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、メ
タクリル樹脂、アクリル樹脂及びフェノキシ樹脂が好ま
しく、特に、ポリカーボネート樹脂及びメタクリル樹脂
が好ましい。

【００５０】バインダーポリマーの使用量は通常、正孔
輸送性低分子化合物に対し、０．１〜３０重量倍、好ま
しくは０．３〜１０重量倍の範囲である。本発明の光情
報処理素子におけるメモリー層は前述の正孔輸送性の低
分子化合物、メモリー性付与機能を有する化合物をバイ
ンダー中に分散して構成されるが、更に、必要に応じて
可塑剤、界面活性剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、電子
吸引性化合物等の添加物を含有させることができる。

【００５１】次に本発明の光情報処理素子の製造方法に
ついて説明する。本発明の光情報処理素子は、まず上記
のメモリー層の各成分及び必要に応じて使用される各種
の添加物成分を溶剤に溶解して塗布液を調製し、当該塗
布液を電極上に塗布した後乾燥してメモリー層を形成す
る。メモリー層の膜厚は、光情報処理素子の動作に必要
な電界強度、電源電圧の範囲により決定されるが通常は
１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下とされる。そ
して、膜厚の下限は、塗布膜の均一性の確保及びピンホ
ールの防止の観点から、０．０１μｍ、好ましくは０．
１μｍ以上とするのがよい。

【００５２】メモリー層上に光電変換層を形成する方法
としては、塗布法、真空蒸着法、ＣＶＤ法の他に、ラン
グミュアー・ブロジェット（ＬＢ）法（ＬＢ膜とエレク
トロニクス、１頁〜１５頁、３３頁〜４６頁、シーエム
シー、１９８６年を参照）等によって単分子層を積層す
る方法等が挙げられる。光導電性材料の形状も上記製法
により様々である。セレンやシリコンの様に、無定形の
薄層の場合のほか、微粒子からなる薄層や、バインダー
樹脂中に粒子が分散した形、溶解した形等があり、さら
にＬＢ法により単分子層が数層積層したＬＢ膜の形状も
ある。ＬＢ膜の場合には光導電性色素単独の他、アラキ
ン酸等の絶縁性の長鎖脂肪酸あるいは異なる色素との混
合膜や、混合比の異なる単分子膜を積層することもでき
る。

【００５３】光導電性材料が微粒子としてバインダー樹
脂中に分散した形の光電変換層ではバインダー樹脂とし
ては、微粒子の分散性の良好な水酸基を有するバインダ
ー樹脂であるブチラール樹脂、フェノキシ樹脂、フェノ
ール樹脂等のほか、ポリエステル、ポリカーボネート、
メタクリル系樹脂等が用いられる。蒸着等によって光電
変換層を形成する場合には必要に応じて、より変換効率
を高めるために溶媒蒸気にさらして結晶型を変える操作
等も行われる。

【００５４】また、光電変換層には塗布性、分散安定
性、保存安定性の向上のための添加剤を加えることがで
きる。さらに、キャリアー輸送能のある光導電性材料を
加えることもできる。光電変換層の厚さは、製法によっ
ても異なるが、数十Åから数μｍであり、一般には１μ
ｍ以下の厚さが望ましい。メモリー層、光電変換層の積
層に際しては必ずしも上記の順序である必要はなく、光
電変換層上にメモリー層を上記の方法で形成してもよ
い。また、メモリー層、光電変換層を別々の電極上に形
成した後に圧着等により一体化させる製造法も採用する
ことができる。電極の積層は、スパッタリングや蒸着法
等のほか、圧着法によってもよい。

【００５５】本発明の光情報処理素子は電極間に電圧を
印加して使用される。その際に、光を照射しない暗状態
では絶縁性で、暗電流は非常に小さい値であるが、光電
変換層の吸収波長領域の光（入力光）を照射中には、導
電性が増大し明電流が観測される。そして、メモリー層
の吸収波長領域の光（制御光）を一定時間照射したのち
に観測すると、暗電流値はほとんど変化しないが、入力
光を照射すると、制御光を一定時間照射する前に観測さ
れた明電流値と比べて増大あるいは減少する。すなわち
制御光照射によって入力光に対する素子の応答感度が変
化し、この変化した受光感度は電圧が印加された状態に
おいて安定に保持されることから、この素子は受光感度
の変化という形態で情報を記憶していることになる。素
子の受光感度は光照射量、照射回数、印加電圧等によっ
てアナログ的に制御が可能である。

【００５６】本発明の対象となる光情報処理素子におけ
るメモリー層は前述の正孔輸送性の低分子化合物、メモ
リー性付与機能を有する化合物をバインダー中に分散し
て構成されるが、更に、必要に応じて可塑剤、界面活性
剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、電子吸引性化合物等の
添加物を含有させることができる。次に本発明の対象と
なる光情報処理素子の製造方法について説明する。該光
情報処理素子は、まず上記のメモリー層の各成分及び必
要に応じて使用される各種の添加物成分を溶剤に溶解し
て塗布液を調製し、当該塗布液を電極上に塗布した後乾
燥してメモリー層を形成する。メモリー層の膜厚は、光
情報処理素子の動作に必要な電界強度、電源電圧の範囲
により決定されるが通常は１００μｍ以下、好ましくは
３０μｍ以下とされる。そして、膜厚の下限は、塗布膜
の均一性の確保及びピンホールの防止の観点から、０．
０１μｍ、好ましくは０．１μｍ以上とするのがよい。

【００５７】メモリー層上に光電変換層を形成する方法
としては、塗布法、真空蒸着法、ＣＶＤ法の他に、ラン
グミュアー・ブロジェット（ＬＢ）法（ＬＢ膜とエレク
トロニクス、１頁〜１５頁、３３頁〜４６頁、シーエム
シー、１９８６年を参照）等によって単分子層を積層す
る方法等が挙げられる。光導電性材料の形状も上記製法
により様々である。セレンやシリコンの様に、無定形の
薄層の場合のほか、微粒子からなる薄層や、バインダー
樹脂中に粒子が分散した形、溶解した形等があり、さら
にＬＢ法により単分子層が数層積層したＬＢ膜の形状も
ある。ＬＢ膜の場合には光導電性色素単独の他、アラキ
ン酸等の絶縁性の長鎖脂肪酸との混合膜あるいは異なる
色素や、混合比の異なる単分子膜を積層することもでき
る。

【００５８】光導電性材料が微粒子としてバインダー樹
脂中に分散した形の光電変換層ではバインダー樹脂とし
ては、微粒子の分散性の良好な水酸基を有するバインダ
ー樹脂であるブチラール樹脂、フェノキシ樹脂、フェノ
ール樹脂等のほか、ポリエステル、ポリカーボネート、
メタクリル系樹脂等が用いられる。蒸着等によって光電
変換層を形成する場合には必要に応じて、より変換効率
を高めるために溶媒蒸気にさらして結晶型を変える操作
等も行われる。

【００５９】また、光電変換層には塗布性、分散安定
性、保存安定性の向上のための添加剤を加えることがで
きる。さらに、キャリアー輸送能のある光導電性材料を
加えることもできる。光電変換層の厚さは、製法によっ
ても異なるが、数十オングストロームから数μｍであ
り、一般には１μｍ以下の厚さが望ましい。メモリー
層、光電変換層の積層に際しては必ずしも上記の順序で
ある必要はなく、光電変換層上にメモリー層を上記の方
法で形成してもよい。また、メモリー層、光電変換層を
別々の電極上に形成した後に圧着等により一体化させる
製造法も採用することができる。電極の積層は、スパッ
タリングや蒸着法等のほか、圧着法によってもよい。

【００６０】次に、光情報処理素子の動作方法について
説明する。光情報処理素子は電極間に電圧を印加して使
用される。その際に、光を照射しない暗状態では絶縁性
で暗電流は非常に小さい値であるが、光電変換層の吸収
波長領域の光（入力光）を照射中には、導電性が増大し
明電流が観測される。そして、メモリー層の吸収波長領
域の光（制御光）を一定時間照射したのちに観測する
と、暗電流値はほとんど変化しないが、入力光を照射す
ると、制御光を一定時間照射する前に観測された明電流
値と比べて増大あるいは減少する。すなわち制御光照射
によって入力光に対する素子の応答感度が変化し、この
変化した受光感度は電圧が印加された状態において安定
に保持されるから、この素子は受光感度の変化という形
態で情報を記憶していることになる。

【００６１】上記の現象のメカニズムは現時点では十分
明らかではないが、次のように仮説することができる。
すなわち、メモリー層中の正孔輸送性の低分子化合物、
メモリー性を付与する機能を有する化合物あるいはバイ
ンダーポリマー等が制御光照射により単独あるいは分子
間でプロトトロピー、異性化、配向変化等の状態変化を
引き起こし、例えば、光電変換層界面近傍での分極を変
化させることにより光電変換層からの正孔注入のエネル
ギー障壁を低下させ、光電変換層に入力光を照射する際
にできる正孔の流入を容易にさせる等の変化を生じさ
せ、入力光照射時の明電流が増加する。そして、このよ
うに変化した状態が安定に持続することにより、記憶
（メモリー）機能が発現される。

【００６２】次に、該光情報処理素子を用いたニューロ
学習方法について説明する。まず、光照射方法について
説明する。光照射に際しては、入力光は光電変換層に吸
収されて、メモリー層にできるだけ影響を及ぼさないこ
とが必要であり、制御光は入力層とメモリー層の界面近
傍に吸収される。そのためには、入力光と制御光は同一
波長であっても異なる波長であってもよく、光の強度も
同一でも異なっていてもよい。光は単色光であっても一
定の波長幅を持った光であってもよい。光の入射方向も
メモリー層側からでも光電変換層側からでもよい。

【００６３】メモリーの度合は、制御光の総照射エネル
ギーによって決定される。従って、ある一定時間の光照
射の場合、制御光の強度を変えることによってメモリー
の度合、すなわちシナプス結合相当部の重みを制御する
ことができる。同様に、一定強度の光照射の場合、照射
時間を変えることにより、シナプス結合相当部の重みを
制御することができる。また、低強度の光を長時間照射
した場合とほとんど同じ効果を、例えばレーザー光のよ
うな高強度の光を短時間照射することによっても得るこ
とができ、このことを利用すれば、学習スピードを制御
することが可能となる。さらに、光を一度照射するだけ
でなく、場合によっては何度も繰り返し行うことによる
メモリーの制御も可能である。このことは、繰り返し学
習による記憶の強化に対応する。また、光をパルス状に
照射することによって、照射回数に応じたメモリーすな
わちシナプス結合の重みを変化させられることから、生
体における膜電位のパルス状の入出力応答のシミュレー
ションが可能である。

【００６４】メモリーの度合は、制御光照射時に電極間
にかかる電界強度の大小によっても制御することができ
る。この際、電界強度が大きいほど素子の受光感度の変
化の割合は大きくなる。電界強度としては絶縁破壊を起
こさないことが必要で、一般的には１０⁷ Ｖ／ｃｍ以下
とされ、通常は１０⁶ Ｖ／ｃｍ以下、好ましくは５×１
０⁵ Ｖ／ｃｍ以下である。例えば、入力光情報に対し
て、記憶の必要のある時のみ電圧を印加するようにすれ
ば、入力情報に対する選択が可能である。また、入力光
情報に対して、印加電圧を上げて記憶の度合を強めた
り、逆に印加電圧を下げて記憶の度合を少な目にするこ
とも可能である。

【００６５】上記光情報処理素子は、制御光照射によっ
て変化した受光感度を安定に保持するが、元の状態への
復帰は加熱により可能であり、メモリー層のガラス転移
温度以上に加熱することによって速やかに元の状態に可
逆的に復帰する。このことを利用すれば、記憶させた情
報を選択的に消去、忘却させることができる。また、ガ
ラス転移温度近傍の温度に加熱することにより、そのよ
うな消去、忘却の度合を弱めることによって、メモリー
をアナログ的に制御することが可能である。

【００６６】以上のメモリーの度合の制御は一つの素子
に対して行うだけでなく、複数個の素子を対象として行
うことも可能である。また、該光情報処理素子は、一つ
の素子において、電極のパターニング等を施していない
場合にも光の照射された部分のみに学習が行える。すな
わち、入力情報は一つの素子の、光の当たった部分にの
み記憶されることから、単一の素子においても、その二
次元的な場所に応じて学習の度合を変えることができ、
情報の多入力が可能であることがわかる。これは、図５
に示したマッカロー・ピッツのモデルにおける、入力及
びシナプス結合相当部が多数ある場合に相当する。従っ
て、上述の、光照射方法、印加電圧あるいは素子の温度
により記憶を連続的に制御することを特徴とするニュー
ロ学習方法を利用すれば、多数の情報の入力及び処理が
可能なニューロ素子、ニューラルネットワークが可能と
なる。

【００６７】

【実施例】

実施例１ ９−エチルカルバゾール−３−カルバルデヒドジフェニ
ルヒドラゾン１．０ｇ、４，４’−ビス（ジメチルアミ
ノ）チオベンゾフェノン１２．５ｍｇ、ポリカーボネー
ト１．２５ｇをジオキサン１４ｇに溶解して塗布液を調
整した。

【００６８】ガラス基板上に形成したＩＴＯ電極層の上
に上記の塗布液を、乾燥後の膜厚が３μｍになるように
塗布して乾燥し、メモリー層を形成した。次いで、チタ
ニルフタロシアニン２重量部、ポリビニルブチラール１
重量部をｎ−プロピルアルコール及びメタノールを重量
比６０：４０で混合した溶剤に固形分比率が３．４％に
なるように混合して分散液を調整した。この分散液を上
記のメモリー層上に、乾燥後の膜厚が約０．１μｍにな
るように塗布して乾燥し、光電変換層を形成した。光電
変換層表面にアルミニウムを素子の電極面積が１ｃｍ²
となるように真空蒸着して対向電極を形成し、光情報処
理素子を作製した。

【００６９】上記の光情報処理素子にアルミニウム電極
側を正極として直流電圧３０Ｖを印加した後、透明電極
（ＩＴＯ電極）側から出力１００μＷ／ｃｍ² で波長７
００ｎｍの単色光を１分間照射したところ、図１に示す
ように、１×１０^ー8Ａ／ｃｍ ² の明電流が観測された。
光遮断後再び同様に７００ｎｍの光照射を行うとほぼ同
じ明電流が再現性良く観測された。次に４４５ｎｍの単
色光を透明電極側から５分間照射したところ明電流が徐
々に増加し、５分後に３×１０^ー7Ａ／ｃｍ² に達した。
光遮断後、暗電流は速やかにほぼ元の電流値に復帰し
た。２０分後、再び７００ｎｍの単色光を透明電極側か
ら照射したところ、５×１０^ー7Ａ／ｃｍ²の明電流が再
現性良く観測された。即ち、４４５ｎｍの光照射によっ
て７００ｎｍの光に対する明電流の応答感度が約５０倍
に増大することを確認した。この増大した応答感度は室
温下で経時的に安定で、３時間後に９６％、５時間後に
９１％、７時間後に９１％保持された。 実施例２ 実施例１と同様にして作製した光情報処理素子に、アル
ミニウム電極側を正極として直流電圧３０Ｖを印加した
後、透明電極（ＩＴＯ電極）側から出力１００μＷ／ｃ
ｍ² で波長７００ｎｍの単色光を１分間照射したとこ
ろ、１×１０^ー8Ａ／ｃｍ² の明電流が観測された。光遮
断後、再び同様にして７００ｎｍの光照射を行うとほぼ
同じ明電流が再現性良く観測された。続いて、４４５ｎ
ｍの単色光を透明電極側から１分間照射し、その後に再
び７００ｎｍの光照射を行う、という操作を繰り返した
ところ、図２に示すように７００ｎｍの光照射に対する
応答は連続的に増加し、４４５ｎｍの光の総照射時間が
増えるにしたがって飽和する傾向にあった。 実施例３ 実施例１と同様にして作製した光情報処理素子に、アル
ミニウム電極側を正極として直流電圧３０Ｖを印加した
後、透明電極（ＩＴＯ電極）側から出力１００μＷ／ｃ
ｍ² で波長４４５ｎｍの単色光を２０秒間照射したとこ
ろ３×１０^ー8Ａ／ｃｍ² の明電流が観測された。光遮断
後は速やかに元の暗電流値に復帰した。波長４４５ｎｍ
の光を繰り返し照射したところ、図３に示すように明電
流値は徐々に増加し、１０回照射後には１×１０^ー7Ａ／
ｃｍ² に増大した。即ち、４４５ｎｍの光に対する応答
感度が光照射を繰り返す度に連続的に増加することを確
認した。 実施例４ ９−エチルカルバゾール−３−カルバルデヒドジフェニ
ルヒドラゾン１．０ｇ、４，４’−ビス（ジメチルアミ
ノ）チオベンゾフェノン １２．５ｍｇ、ポリカーボネ
ート１．２５ｇをジオキサン１４ｇに溶解して塗布液を
調整した。

【００７０】ガラス基板上に形成したＩＴＯ電極層の上
に上記の塗布液を乾燥後の膜厚が３μｍになるように塗
布して乾燥し、メモリー層を形成した。次いで、ｐ−
（１０−カルボキシデシロキシ）フェニルトリトリルポ
ルフィリン及びアラキン酸をそれぞれ１．０ｍｍｏｌ／
ｌ、５．０ｍｍｏｌ／ｌ含有する混合クロロホルム溶液
を調整し、これをラングミュアー・ブロジェット（Ｌ
Ｂ）法に従って、二価のカドミウム塩を含む水溶液上に
滴下し、単分子膜を形成した後に、表面圧が２５ｍＮ／
ｍとなるように膜を圧縮し、メモリー層上に３６層累積
し、光電変換層を形成した。光電変換層表面にアルミニ
ウムを素子の電極面積が１ｃｍ² となるように真空蒸着
して対向電極を形成し、光情報処理素子を作製した。

【００７１】上記の光情報処理素子にアルミニウム電極
側を正極として直流電圧３０Ｖを印加した後、透明電極
（ＩＴＯ電極）側から出力１００μＷ／ｃｍ² で波長４
４０ｎｍの単色光を１０秒間照射したところ５×１０^ー9
Ａ／ｃｍ² の明電流が観測された。光遮断後は速やかに
元の暗電流値に復帰した。波長４４０ｎｍの光を繰り返
し照射したところ、図４に示すように明電流値は徐々に
増加し、１４回照射後には７×１０^ー8Ａ／ｃｍ² に増大
した。即ち、４４０ｎｍの光に対する応答感度が光照射
を繰り返す度に連続的に増加することを確認した。 実施例５ 実施例１と同様にして作製した光情報処理素子に、アル
ミニウム電極側を正極として直流電圧１５Ｖを印加した
後、透明電極（ＩＴＯ電極）側から出力１００μＷ／ｃ
ｍ² で波長７００ｎｍの単色光を１分間照射したとこ
ろ、１×１０^ー8Ａ／ｃｍ² の明電流が観測された。次
に、この素を実施例１と同様に４４５ｎｍの単色光を透
明電極側から５分間照射した後に、再び波長７００ｎｍ
の単色光を１分間照射したところ、１．６×１０^ー7Ａ／
ｃｍ² の明電流が観測され、応答の増大は実施例１の場
合の約半分となった。 実施例６ 実施例１と同様にして作製した光情報処理素子に、アル
ミニウム電極側を正極として直流電圧３０Ｖを印加した
後、透明電極（ＩＴＯ電極）側から出力１００μＷ／ｃ
ｍ² で波長７００ｎｍの単色光を１分間照射したとこ
ろ、１×１０^ー8Ａ／ｃｍ² の明電流が観測された。次
に、この素子を８０℃の雰囲気中で実施例１と同様に４
４５ｎｍの単色光を透明電極側から５分間照射し、再び
室温まで冷却して、再び波長７００ｎｍの単色光を１分
間照射したところ、１×１０^ー8Ａ／ｃｍ² の明電流が観
測され、４４５ｎｍの光照射による応答感度の増大は観
測されなかった。

【００７２】

【発明の効果】本発明には、光照射により受光感度が変
化する機能を有し、この状態が長時間安定に記憶、保持
され、加熱による可逆的な記憶の消去が可能であるとい
う特徴を有する光情報処理素子を利用し、光照射方法、
印加電圧あるいは素子の温度により記憶を連続的に制御
するニューロ学習方法を与えるもので、パターン認識、
演算処理、視覚情報処理、ニューロコンピューター、セ
ンサー等各種用途に適用することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の光情報処理素子の光照射による電流
応答特性を示す図。

【図２】実施例２の光情報処理素子に対する制御光の総
照射時間と、入力光に対する電流応答の関係を示す図。

【図３】実施例３の光情報処理素子に対する繰り返し光
照射による電流応答を示す図。

【図４】実施例４の光情報処理素子に対する繰り返し光
照射による電流応答を示す図。

【図５】マッカロー・ピッツによるニューロンモデルを
表した図。

【符号の説明】

ｕ₁ 〜ｕ_n ：入力信号 ｗ₁ 〜ｗ_n ：シナプスの結合荷重 ｖ ：出力信号 ｇ（ｘ） ：出力関数

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一方の電極が光透過性を有す
   る電極間に光電変換層と一定の波長の光により変化した
   導電性を光遮断後も持続させる機能を有するメモリー層
   とを有する光情報処理素子を用い、該素子にメモリー層
   の導電性を変化させる波長の光を照射する際に、該素子
   への光照射方法、印加電圧あるいは該素子の温度を変化
   させて該素子のメモリー性を制御することを特徴とする
   ニューロ学習方法。