(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
K０．３０ＭoＯ３、Ｒb０．３０ＭoＯ３、（K１−ＸＲbＸ）０．３０ＭoＯ３、ＮbＳe３、ＴaＳe３、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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
K０．３０ＭoＯ３、Ｒb０．３０ＭoＯ３、（K１−ＸＲbＸ）０．３０ＭoＯ３、ＮbＳe３、ＴaＳe３、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。
【請求項４】
K０．３０ＭoＯ３、Ｒb０．３０ＭoＯ３、（K１−ＸＲbＸ）０．３０ＭoＯ３、ＮbＳe３、ＴaＳe３、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。
【請求項５】
K０．３０ＭoＯ３、Ｒb０．３０ＭoＯ３、（K１−ＸＲbＸ）０．３０ＭoＯ３、ＮbＳe３、ＴaＳe３、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。
【請求項６】
K０．３０ＭoＯ３、Ｒb０．３０ＭoＯ３、（K１−ＸＲbＸ）０．３０ＭoＯ３、ＮbＳe３、ＴaＳe３、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。
【発明の詳細な説明】
【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Ｋ０．３０ＭｏＯ３、Ｒｂ０．３０ＭｏＯ３、（Ｋ１−ＸＲｂＸ）０．３０ＭｏＯ３、ＮｂＳｅ３、ＴａＳｅ３、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Ｖｔ  ）の印加を必要とする。印加電圧がＶｔ  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Ｖｔ  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Ｖｔ  が減少する（この時のＶｔ  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Ｖｔ  が増加する（この時のＶｔ  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Ｖｔ  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、K０．３０ＭoＯ３を使用した。Ｒb０．３０ＭoＯ３または（K１−ＸＲbＸ）０．３０ＭoＯ３を用いることもできる。その他、ＮbＳe３やＴaＳe３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／ｃｍ２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／ｃｍ２）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−ＸＲｂＸ）０．３０ＭｏＯ３についてのしきい電界（ＥＴ（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Ｖｔ  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、Ｖｔ  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Ｖｔ  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／ｃｍ２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／ｃｍ２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Ｒｂ０．３０ＭｏＯ３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Ｒｂ０．３０ＭｏＯ３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Ｖｔ  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Ｖｔ  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−ＸＲｂＸ）０．３０ＭｏＯ３についてのしきい電界（ＥＴ（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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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