JPH0498228A - 光演算素子 - 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〕 本発明は積層構造を有する集積チップ型の光演算素子に
関し、特に光学的にベクトルとマトリクスの乗算を行な
う乗算器に関する。この種の光演算器は生物の神経回路
網を模倣したニューラルネットワークの構成部品として
用いられ、連想機能や画像認識機能等を行なう事ができ
る。

〔従来の技術〕

第８図に、従来のフィードバック型ニューラルネットワ
ークを構成する光演算装置の例を示す。

図において、８１は発光ダイオードアレイ、８２はマト
リクス光学マスク、８３は受光素子アレイ、及び８４は
閾値処理器である。

次に上述した従来の光演算装置の動作を簡単に説明する
。発光ダイオードアレイ８１から扇状の光をマトリクス
光学マスク８２へ照射する。発光ダイオードアレイ８１
は個々の発光素か点灯するかあるいは消灯するかに対応
して、１かＯかの状態を示す一種のベクトル ｖ　−（ｖ　ｔ　、Ｖ　２　、・・・、ｖｊ・・・、ｖ
ｎ）を表わしている。又、マトリクス光学マスク８２は
ｎＸｎの要素に分割されており、各要素の光透過率が異
なっている一種のマトリクス Ｔ＝　ＣＴ、、） Ｊ を表わしている。発光ダイオード８１のｊ番目の発光素
を用いてマトリクス光学マスク８２のｊ行目を照射する
とともに、該光学マスク８２のｉ列目を透過した光を受
光素子アレイ８３のｉ番目の受光素子で受けると、 となるベクトルとマトリクスの乗算が行なえる。

ところでニューラルコンピュータでは一般に、各ニュー
ロン間の結合強度に情報を蓄積している。

一方、上述した光演算器から構成されるニューラルネッ
トワークにおいては、マトリクス光学マスク８２の個々
の要素の光透過率Ｔ１．に情報を蓄積しＪ ている。その情報蓄積規則はホップフィールドモデルに
基づくものである。かかるマトリクス光学マスク８２を
透過した光を受光処理して出力されたベクトルを、閾値
処理器８４で閾値処理した後、発光ダイオードアレイ８
１にフィードバックする。このようにすると、例えばマ
トリクス光学マスク８２にＡ、Ｊ、Ｅに相当する３種類
の情報を蓄積しておけば、最初に発光ダイオードアレイ
に不完全な情報、例えばＡ′をベクトルとして入力して
も、フィードバックを繰返すうちにその出力ベクトルは
不完全入力情報Ａ′に最も近い完全情報Ａを表わすもの
として与えられる。この様にして、文字や画像等の二次
元情報を光学的に連想認識する事が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

光演算装置の主要構成要素であるマトリクス光マスクと
しては、従来から空間光変調素子が広く用いられている
。この空間光変調素子は、行列状に配列された光変調要
素により二次元並列光情報のバタン（例えば光強度、位
相あるいは偏光分布）を実時間で変調する機能を有する
。

従って、空間光変調素子を用いれば所謂学習効果を備え
た動的ニューラルネットワークを構成する事ができる。

現在までに、液晶材料、誘電体材料（’Ｌ　ＩＮ　ｂ　
Ｏａ　、　　Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　、　　Ｂ　Ｓ　Ｏ単結晶
など）、磁性材料（ＹＩＧ薄膜）、半導体材料（ＧａＡ
ｓ薄膜）を用いた種々の空間光変調素子が用いられてい
る。しかしながら、これら従来の空間光変調素子は解像
度、応答速度、コスト、使い易さ等の面で十分な性能を
備えていないという問題点があった。特に、高度且つ複
雑な画像認識あるいは画像連想を行なう為には、ベクト
ルとマトリクスの大容量演算を高速で行なう必要がある
か、かかる要求を満たす高密度且つ大容量の空間光変調
素子か得られていないという問題点があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上述した従来の技術の問題点に鑑み、高密度、
大容量及び高速の空間光変調素子を具備した集積型の積
層光演算素子を提供する事を目的とする。

かかる目的を達成する為に、本発明にかかる光演算素子
は第１図に示す基本的構造を有する。第１図は、光演算
素子の模式的分解断面図である。

図示する様に、光演算素子はＸ軸二次元Ｌ　Ｅ’Ｄアレ
イ１を有する。このＬＥＤアレイ１は、行状に配列され
た発光線部を有し、ベクトル信号入力手段８から入力さ
れたベクトルの各成分値Ｖ、に応して行別に発光する発
光部を構成する。さらに、光弁２を有している。この光
弁２は行列状に配列された光変調素を有し、行列信号入
力手段７によって与えられた７トリクスの対応する各成
分値Ｔ２．に応じて該発光をマトリクス変調する為の空
Ｊ 間光変調部を構成する。光弁２の出力側には、Ｙ軸二次
元フォトダイオードアレイ３が配置されている。このフ
ォトダイオードアレイ３は、列状に配列された受光線部
を有し、光弁２によってマトリクス変調された光を列別
に受光するとともに、ベクトルを出力する為の受光部を
構成する。上述した３個の構成部品は実際には順に重ね
られ積層構造を構成する。そして、入力ベクトルと与え
られたマトリクスの積演算を光学的に実行する。さらに
、フォトダイオードアレイ３には比較器４が接続されて
おり、フォトダイオードアレイ３から出力されたベクト
ルの各成分値を閾値処理し、その結果与えられたベクト
ルｖ、′を再度二次元ＬＥＤアレイ１に入力する為のフ
ィードバック手段を構成する。この様にして、図示する
光演算素子はフィードバック型ニューラルネットワーク
を形成するのである。

光弁２は高密度高速大容量型の空間光変調装置であって
、担体層及びその上に形成された半導体単結晶薄膜層か
らなる複合基板の上に形成される。

該半導体単結晶薄膜層の上には行列状に複数の光変調素
電極が形成されている。又、該半導体単結晶薄膜層には
マトリクスの各成分値に応じて対応する光変調素電極を
駆動する為のスイッチング素子を含む駆動回路が集積的
に形成されている。該複合基板に所定の間隙を介して対
向基板か対向配置されているとともに、この間隙内には
個々の光変調素電極により制御されてマトリクス光変調
を行なう電気光学物質層が充填されている。好ましくは
、該担体層は石英からなり、該半導体単結晶薄膜層はシ
リコンから構成されている。このシリコン半導体単結晶
薄膜層は例えば、結晶方位に関しく　１００　＞　０．
０±１．０の範囲の一様性を有し、且つその単結晶格子
欠陥密度は５００個／　ａｎｔ以下である。かかる高品
質のシリコン半導体単結晶薄膜層を用いる事により、超
ＬＳＩ製造技術がそのまま適用でき、１０００行Ｘ１Ｏ
ＯＯ列の光変調素を高精密に形成する事が可能となる。

なお、電気光学物質層としては、ツイスト配向されたネ
マティック液晶を用いる事ができる。さらに、光弁の応
答性を高める為に、電気光学物質層として双安定状態を
有する強誘電性液晶を用いる事もできる。

再び第１図に戻って、残りの付属構成部品を説明する。

光弁２の前後には一対の偏光板Ａと偏光板Ｂが配置され
ている。光弁２は通常偏光変調を行なうので、これを光
強度の変化に変える為、偏光板Ａは偏光子として機能し
偏光板Ｂは検光子として機能する。ＬＥＤアレイ１と光
弁２との間には、Ｘ方向即ち行方向に母線を持つ円筒レ
ンズアレイ５が配置されている。この円筒レンズアレイ
５はＬＥＤアレイ１から行別に放射された発光を光弁２
の対応する行に集光する為の機能を有する。

又、光弁２とＹ軸二次元フォトダイオードアレイ３の間
にはＹ方向即ち列方向に母線を有する円筒レンズアレイ
６が挿入されている。このレンズアレイ６は光弁２を通
過した光を列別に対応するフォトダイオードアレイ３の
受光線部に集光する為のものである。円筒レンズアレイ
は別部品として設ける事もできるが、好ましくは例えば
入力側の円筒レンズアレイ５を光弁２の複合基板を構成
する担体層中に熱拡散を用いて形成しても良い。

上述した基本構成においては、発光部は二次元ＬＥＤア
レイで構成されている。しかしながら、面発光素子を用
いる事もできる。この場合には、面発光素子の発光面に
光弁２と同様の構造を有する追加の空間光変調素子を配
置し、実質的に発光面を行状に分割するとともに、入力
されたベクトルの各成分値に応じて行毎の発光強度を制
御する様にしても良い。

〔発明の作用〕

第１図に示す様に、二次元ＬＥＤアレイ１、光弁２、フ
ォトダイオードアレイ３及び比較器４等で構成される光
演算素子はフィードバック型のニューラルネットワーク
を構成する。ニューロンの興奮状態は、行状に並べられ
たＬＥＤアレイの各発光素の点滅状態に対応している。

入力ベクトルの成分値Ｖ、に応じて、各発光素は光を放
射し、行方向母線を有する円筒レンズアレイ５を介して
行列Ｔに対応する光弁２のｊ行成分のみを一様に照射す
る。行列Ｔの各成分値Ｔ１．の大きさを光弁Ｊ ２の各変調要素の光透過率として与えておくと、その出
力光強度はＴ、’、ｖ、に比例する。次に、こｊ　　　
Ｊ の光弁２からの出力光は列方向に母線を有する円筒レン
ズアレイ６によって、全ての列成分かフォトダイオード
アレイ３の対応する受光素に集光される。従って、１番
目の受光素出力ｖ、′はアレイ３の出力にマトリクス−
ベクトル積が得られる。この様に、演算は完全に光学的
に行なわれるので極めて高速な処理が並列に実行される
事となる。フォトダイオードアレイ３で光電変換された
出力信号は、比較器４で閾値処理され、ＬＥＤアレイ１
にフィードバックされる。この繰返し演算によって、不
完全情報を含む入力ベクトルに対して光弁２のマトリク
スに蓄積された複数の完全情報の中から最も類似した情
報を選択し、完（ｏｏ） 全出力Ｖ、　　　が得られる。この時、単結品薄膜層を
用いた光弁２を利用する事により、５００×５００ない
し１００ＯＸ　１０００程度の大容量マトリクスを実現
する事ができる。この結果、連想可能な入力文字の数を
３万個ないし１０万個とする事ができ、手書き漢字入力
の認識も可能となる。

〔実　施　例〕

以下図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明
する。第２図は、本発明にかかる集積型の積層光演算素
子の一実施例を示す模式的斜視図である。図示する様に
、光演算素子は放熱板２１の上に搭載されている。放熱
板２１の上にはガリウムヒ素基板２２が配置されている
。本実施例においてはガリウムヒ素材を用いるがガリウ
ムリン材を使っても良い。ガリウムヒ素基板２２の表面
にはＸ軸二次元ＬＥＤアレイ２３か形成されている。こ
のＬＥＤアレイ２３はＸノｊ向あるいは行方向に配列さ
れた複数の発光線素からなる。これらＬＥＤアレイ２３
に電流を供給する為のＬＥＤ電極端子２４も同一面に形
成されている。ＬＥＤアレイ２３を覆う様にエアギャッ
プ２５を介して偏光板Ａが重ねられている。

偏光板Ａの上に光弁が配置されている。この光弁は石英
基板２６の上に単結晶シリコン層２７が形成された複合
基板を有している。単結晶シリコン層２７には行列状に
形成された複数の光変調素電極と、個々の電極を選択的
に励起する為のスイッチング素子例えばトランジスタを
含む駆動回路が集積的に配置されている。加えて、単結
晶シリコン層２７には二次元ＬＥＤアレイ２３を駆動す
る為のＬＥＤドライバ２８も形成されている。単結晶シ
リコン層２７に対しては通常の超ＬＳＩ製造技術が適用
できる為、この他にもＩＣメモリ、フォトダイオード駆
動回路、閾値処理を行なう比較器等を形成する事ができ
る。又、石英基板２６の裏面側には光のクロストークを
防ぐためＸ方向母線を持つ円筒レンズアレイ２９か熱拡
散技術により形成されている。

円筒レンズアレイ２９を構成する個々の円筒レンズ要素
はＬＥＤアレイ２３を構成する個々の発光線素に対応す
る様に配置されている。複合基板の上にはスペーサ３０
を用いて所定の間隙を介して対向ガラス基板３１が対向
配置されている。この間隙には光変調を行なう電気光学
物質層として液晶層３２が充填されている。液晶層３２
は上下から一対の配向膜３３及び３４により挟持されて
おり、所定の液晶分子配向を有する。対向ガラス基板３
１の内側面には共通透明電極３５が形成されており、単
結晶シリコン層２７の上に形成された各光変調素電極と
の間に印加される電圧値に応じて液晶層３２の配向状態
が変化する。対向ガラス基板３１の表面側にはＸ方向二
次元光学マスク３６が形成されており、光弁から出力さ
れた光が各行間においてクロストークを起こすのを防止
する。Ｘ方向二次元光学マスク３６の上に偏光板Ｂが貼
着されている。偏光板Ｂの上には他の石英基板３７が配
置されている。石英基板３７の裏側面内にはＹ方向部ち
列方向に母線を持つ円筒レンズアレイ３８が熱拡散によ
り形成されている。円筒レンズアレイ３８を構成する個
々の円筒レンズ要素は光弁の各列に対応するように配置
されている。石英基板３７の表面側には薄膜技術を用い
てＹ軸二次元フォトダイオードアレイ３９が形成されて
いる。フォトダイオードアレイ３９を構成する各受光線
素は光弁の各列に対応する様に形成されている。フォト
ダイオードアレイ３９は同一薄膜に形成されたフォトダ
イオードアンプ４０に接続されている。このフォトダイ
オードアンプ４０は単結晶シリコン層２７に形成された
閾値処理を行なう比較器に接続されている。

上述した様に、ＬＥＤアレイ２３、光弁、及びフォトダ
イオードアレイ３９は各々集積化されており且つ互いに
積層されて光演算チップあるいは光ニューロンチップを
構成している。特に光弁は単結晶シリコン層２７を具備
しており、この層にマトリクス状の光変調素電極やスイ
ッチング素子等をサブミクロンオーダあるいはミクロン
オーダの密度で集積する事により大容量マトリクスを得
る事ができる。加えて、ＩＣメモリ、ＬＥＤアレイ駆］
　６ 動回路、フォトダイオードアレイ駆動回路、及び比較器
等を同時に超ＬＳＩ技術を用いて形成する事ができるの
で極めてコンパクトな構成とする事が可能となる。又、
円筒レンズアレイ２９あるいは３８を石英基板内に拡散
形成する事により一層のハイブリッド化が可能となる。

次に第３図に本発明にかかる光演算素子の他の実施例を
示す。この実施例においては、Ｘ軸二次元ＬＥＤアレイ
に代えて面発光素子であるＥＬクランプ用いられている
。このＥＬクランプ１は、通常液晶表示素子のバックラ
イトに用いられるものであり、二次元ＬＥＤアレイに比
べて低消費電力駆動が可能である。面発光素子であるＥ
Ｌクランプ１の上には、追加の光弁が配置されており、
実質的に発光面を行状に分割するとともに入力されたベ
クトルの各成分値に応じて行毎の発光強度を制御する様
にしている。この追加の光弁は第２図に示したマトリク
ス光弁と基本的に同一の構造を有する。即ち、ＥＬクラ
ンプ１から放射される光に偏光性を与える為の追加の偏
光板４２の上に石英基板４３が配置されている。石英基
板４３の表面には単結晶シリコン層４４が形成されてお
り複合基板となっている。この単結晶シリコン層４４に
は入力されたベクトルの各成分値に応じて行毎の発光強
度を制御する為の光変調素電極及びこの電極を駆動する
為のスイッチング回路等が形成されている。

複合基板の上にはスペーサ４５を介して所定の間隙を保
ってガラス基板４６か対向配置されている。所定の間際
内には電圧に応じて透過率が変化する液晶層４７が充填
されている。液晶層４７は一対の配向膜４８によって挟
持されており所定の液晶分子整列を有する。ガラス基板
４６の内側面には透明電極４９か配置されており、単結
晶シリコン層４４に形成された個々の光変調素電極との
間で液晶層４７に対して入力ベクトルの各成分値に応じ
た大きさの電圧を印加し、液晶層４７の透過率を局部的
に変化させて行毎の発光強度を制御している。この様に
、石英基板４３、単結晶シリコン層４４、液晶層４７、
ガラス基板４６等で追加の光弁が構成されている。この
追加の光弁の上に重ねられた部分は第２図に示す実施例
と同一であるので、各対応する構成要素に同一の番号を
付してその説明は省略する。

第４図は本発明にかかる光演算素子の主要部をなす光弁
の詳細構造を示す模式的分解斜視図である。図示する様
に、光弁は複合基板（２８，２７）と、該複合基板に対
向配置されたガラス基板３１と、該複合基板と該ガラス
基板３１の間に配置された電気光学物質層例えば液晶層
３２とから構成されている。

複合基板に光変調素を規定する変調素電極あるいは駆動
電極５１と、所定の信号即ち与えられたマトリクスの各
成分値に応じて該駆動電極５１を励起する為の駆動回路
とか形成されている。

複合基板は石英ガラス基板２６と単結晶シリコン半導体
膜層２７とからなる二層構造を有する。加えて、石英ガ
ラス基板２６の裏面側には偏光板Ａが接着されている。

さらに、基板２６の裏面内には円筒レンズアレイ２９が
形成されている。そして、駆動回路はこの単結晶シリコ
ン半導体膜層２７に形成された集積回路からなる。この
集積回路はマトリクス状に配置された複数の電界効果型
絶縁ゲートトランジスタ５２を含んでいる。トランジス
タ５２のソース電極は対応する駆動電極５１に接続され
ており、同じくゲート電極は走査線５３に接続されてお
り、同じくドレイン電極は信号線５４に接続されている
。該集積回路はさらにＸドライバ５５を含み列状の信号
線５４に接続されている。さらに、Ｙドライバ５６を含
み行状の走査線５３に接続されている。

又、対向ガラス基板３１はその外側面に接着された偏光
板Ｂと、その内側面に形成された対向電極あるいは共通
透明電極３５とを有している。また、駆動電極５１とこ
れを駆動する駆動回路が設けられた複合基板の内側面２
７、および対向電極３５の内側面にはそれぞれ配向膜２
７ａ、　３５ａが形成されている。

第５図は第４図に示す光弁の１個の光変調素を切取って
示した模式的斜視図であり、第５図（Ａ）は光変調素が
非選択状態にある場合を示し、第５図（Ｂ）は光変調素
が選択状態にある場合を示す。

本実施例においては、液晶層３２としてネマチック液晶
材料が用いられる。ネマチック液晶分子はその長軸方向
が容易に配向されるという性質がある。

液晶分子の配向は石英基板２６及び対向ガラス基板３１
の内側面に対してラビング処理を行なう事により得られ
る。上下の基板間でラビング方向が９０゜異なるので、
図示する様に液晶分子もそれに倣って９０°回転する。

この結果この液晶層３２を通過する光の偏光軸は９０°
回転する事になる。一方、第５図（Ｂ）に示す様に、石
英基板２６の表面に形成されている駆動電極５１と対向
ガラス基板３１の内側表面に形成されている対向電極３
５の間に電界を印加するとこの液晶分子は電界方向、即
ち基板に対して垂直方向に配列し旋光性は失われる。こ
の遷移は液晶層の上下に配置された一対の偏光板Ａ及び
Ｂによって光学的に検出される。即ち、液晶層を通過す
る光は電圧印加の有無によって透過もしくは遮断される
。この様にして、本発明にかかる光弁は各光変調素毎に
光変調機能を有する。

次に第４図及び第５図を参照して上述した光弁の動作を
詳細に説明する。個々のトランジスタ素子５２のゲート
電極は走査線５３に接続されており、Ｙトライバ５６に
よって走査信号か印加され線順次で個々のトランジスタ
素子５２の導通及び遮断を制御する。Ｘドライバ５５か
ら出力されるマトリクス成分を表わす信号は信号線５４
を介して導通状態にある選択されたトランジスタ５１に
印加される。印加された信号は対応する駆動電極５１に
伝えられ、駆動電極を励起し液晶層３２に作用してその
透過率を実質的に１００％とする。一方、非選択時にお
いてはトランジスタ素子５２は非導通状態となり駆動電
極に書込まれた信号を電荷として維持する。この様にし
て与えられたマトリクスは、各変調素の透過率として、
光弁に書き込まれる。なお液晶層３２は比抵抗が高く通
常は容量性として動作する。

これら駆動トランジスタ素子５２のスイッチング性能を
表わす為にオン／オフ電流比が用いられる。

本発明においては駆動トランジスタ素子は電荷移動度が
極めて高い単結晶シリコン半導体膜層２７に形成されて
いるのでオン／オフ比は６桁以上を確保できる。従って
、極めて高速な信号応答性を有するアクティブマトリク
スタイプの光弁を得る事ができ動的光ニューラルネット
ワークの空間変調つ９ 素子として最適である。又、単結晶薄膜の高移動度特性
を利用して同時に、周辺ドライバ回路を同一シリコン単
結晶半導体薄膜上に形成する事か可能となる。

次に、電気光学的物質層として強誘電性液晶を用いた例
を第６図（Ａ）及び第６図（Ｂ）に示す。これらの図は
、光弁の一変調素を上から見た模式的平面図であり、強
誘電性液晶の分子配列を示している。カイラルスメクテ
ィック液晶等の強誘電性液晶を厚みか１１１ｒｎ程度の
間隙に充填すると双安定状態に配向される。第６図（八
）は一方の双安定状態を示し第６図（Ｂ）は他方の安定
状態を示す。これらの双安定状態は印加される電圧の方
向によって相互に高速に切換えられる。この切換えによ
って液晶層を通過する光の透過率を制御する事ができる
。かかる強誘電性液晶の双安定状態の切換えを利用した
光弁は前述したツイストネマティック液晶を用いた光弁
に比べて応答性に優れており、より高速な動的演算処理
を行なう事ができる。特に、双安定状態を利用して各成
分値が０か１のいずれかをとり得る２値マトリクスを表
現するのに適している。

なお、上記２つの実施例で用いる配向膜として、基板の
法線方向から７５度から８５度の範囲の角度で一酸化珪
素を所定の膜厚で形成したものを用いた方が、当該配向
膜による光散乱が少なく、表面に形成した光弁の駆動集
積回路を損傷しないため好ましい。

最後に、第７図を参照して変調素電極及び駆動回路が集
積された半導体チップ型の光弁用基板の製造方法を詳細
に説明する。先ず、第７図（Ａ）に示す工程において、
石英ガラス基板７１を用意する。

そして、この基板７１の裏面側に円筒レンズアレイを構
成する円筒レンズ領域７２を熱拡散により形成する。こ
の熱拡散は、例えばストライプ状にチタンの真空蒸着膜
を形成した後、１０００°Ｃないし１１００°Ｃの温度
で６時間ないし１０時間の加熱処理を行なう事により行
なわれる。

次に、第７図（Ｂ）に示す工程において、石英ガラス基
板７１に単結晶ンリコン十導体基板７３を貼着する。単
結晶シリコン半導体基板７３はＬＳＩ製造に用いられる
高品質のシリコンウェハを用いる事が好ましく、その結
晶方位は＜　１’００　＞　０．０±１．０の範囲の一
様性を有し、その単結晶格子欠陥密度は５００個／Ｃａ
以下である。レンズ領域７２の形成された石英ガラス基
板７１の表面及び単結晶シリコン半導体基板７３の表面
を先ず精密に平滑仕上げする。

続いて、平滑仕上げされた両面を重ね合わせ加熱する事
により側基板を熱圧着する。この熱圧着処理により、側
基板７１及び７３は互いに強固に固着される。

第７図（Ｃ）に示す工程において、単結晶シリコン半導
体基板７３の表面を研摩する。この結果、石英ガラス基
板７１の表面には所望の厚さまで研摩された１１１−結
晶シリコン半導体膜層７４が形成される。

石英ガラス基板からなる担体層と単結晶シリコン半導体
膜層とから構成される二層構造を有する複合基板か得ら
れる。なお、１１−結晶シリコン半導体基板７３を薄膜
化する為に研摩処理に代えてエツチング処理を用いても
よい。この様にして得られた単結晶シリコン半導体膜層
７４はシリコンウェハ７３の品質が実質的にそのまま保
存されるので結晶方位の一様性や格子欠陥密度に関して
極めて優れた基板材料を得る事かできる。これに対して
、従来行なわれていた様に、堆積された非晶質あるいは
多結晶シリコン薄膜の再結晶化により得られた単結晶薄
膜は格子欠陥が多く結晶方位も一様ではないのでＬＳＩ
製造には適さない。

第７図（Ｄ）に示す工程において、単結晶シリコン半導
体膜層７４の表面を熱酸化処理し全面にシリコン酸化膜
７５を形成する。その上に、化学気相成長法を用いてシ
リコン窒化膜７６を堆積する。さらに、レジスト７７を
被覆する。レジスト７７をフォトリソグラフィによりパ
タニングし素子領域７８のみを残して除去する。この状
態で、エツチング処理を行ないレジスト７７により被覆
されていない部分のシリコン酸化膜７５及びシリコン窒
化膜７６を除去する。

第７図（ＩＥ）に示す工程において、レジストを除去し
た後素了領域７８を被覆するシリコン酸化膜７５及びシ
リコン窒化膜７６をマスクとして単結晶シリコン半導体
膜層７４の熱酸化処理を行ないフィールド酸化膜７９を
形成する。フィールド酸化膜７９によって囲まれた領域
には単結晶シリコン膜層７４が残され、素子領域７８を
形成する。この状態では、マスクとして用いられたシリ
コン酸化膜及びシリコン窒化膜は除去されている。

第７図（Ｐ）に示す工程において、再び熱酸化処理が行
なわれ、単結晶シリコン膜層７４の表面にゲート酸化膜
８０が形成される。

第７図（Ｇ）に示す工程において、化学気相成長法によ
り多結晶シリコン膜が堆積される。この多結晶シリコン
膜を所定の形状にパタニングされたレジスト８１を用い
て選択的にエツチングしゲート酸化膜８０の上に多結晶
シリコン膜からなるゲート電極８２を形成する。

第７図（］Ｉ）に示す工程において、レジスＩ・８１を
除去した後、ゲート電極８２をマスクとしてゲート酸化
膜８０を介して不純物ヒ素のイオン注入を行ない、シリ
コンｔ１１−結晶膜にドレイン領域８３及びソス領域８
４を形成する。この結果、ゲート電極８２の下方におい
てドレイン領域８３とソース領域８４の間に不純物ヒ素
の注入されていないトランジスタチャネル形成領域８５
が設けられる。

最後に第７図（＋）に示す］二程において、ドレイン領
域８３の上にあるゲート酸化膜８０の一部を除去してコ
ンタクトホールを形成しここにドレイン電極８６を接続
させる。同様に、ソース領域８４の上にあるケート酸化
膜８０の一部を除去してコンタクトホールを形成しこの
部分を埋める様に駆動電極８７を形成する。駆動電極８
７もしくは光変調素電極はＩＴＯ等からなる透明電極か
ら構成されている。

加えて光変調素電極８７の下側に配置されているフィー
ルド酸化膜７９も透明であり、さらにその下側に配置さ
れている石英ガラス基板７１も透明である。従って、駆
動電極８７、フィールド酸化膜７９及び石英ガラス基板
７１からなる三層構造は光学的に透明であり透過型の光
弁を得る事ができる。

なお、円筒レンズ領域７２は、第７図に示す工程順に限
られず、最も適当な工程において形成する事が好ましい
。

上述した様に、第７図に示す製造方法においては、高品
質の単結晶シリコン膜に対して高温を用いた成膜処理、
高解像度のフォトリソエツチング及びイオン注入処理等
を施こす事によりミクロンオーダあるいはサブミクロン
オーダのサイズを有する電界効果型絶縁ゲートトランジ
スタを形成する事か可能である。用いるシリコン単結晶
膜は極めて高品質であるので得られた絶縁ゲート型トラ
ンジスタの電気特性も優れている。同時に、光変調素電
極も微細化技術によりミクロンオーダの寸法で形成する
事ができるので高密度且つ微細な構造を有するアクティ
ブマトリクス液晶光弁用半導体集積回路チップ基板を製
造する事ができる。

最後に、本発明の光演算素子を用いて画像等の２次元情
報を学習させる方法について説明を行う。

Ｎ個のニューロンから構成されるネットワークにおいて
、記憶する２次元情報の数をＭｌまたｍ番目の２次元情
報に対するニューロンの状態を二値（Ｏまたは１）のベ
クトルν（ｍ）、、、　　　　（ｍ）（１′１ （ｍ）　　・・・　　　（ｍ））とすると、マトリック
″２　　　・　　・　Ｉ″Ｎ スの成分を とあられすことにより、入力ベクトルを学習することが
できることが、−船釣に知られている。本発明において
はマトリックスの成分が可変な動的ニューラルネットワ
ークとなっている。従って、認識すべきベクトルの全て
についてあらかじめＴ２．を計算しておきパターン認識
あるいはペクトＪ ルマトリックス演算を行うことが可能である事は言うま
でもなく、認識過程の途中においても新たな任意の入力
ベクトルについてＴ１．を計算して学Ｊ 習を行い、それを新たに学習された新しいマトリックス
成分として直ちに用いる事ができる。これは、本発明が
従来の固定光学マスクを用いた光演算素子に比べて極め
て柔軟性に富んだものである１例である。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば超高密度、超高速及
び超大容量の空間光変調素子を内蔵した集積型の積層光
演算素子あるいは光演算チップを得る事ができる。従っ
て、かかる空間光変調素子には１０６個にも及ぶ光変調
素を集積する事ができ、大規模二次元情報の高速演算処
理か可能となるという効果がある。又、追加の空間光変
調素子とＥＬクランプの平面発光素子を組合わせる事に
より、半導体ＬＥＤアレイの代わりに用いれば、安価で
実用的且つ低消費電力の光演算チップを構成する事がで
きるという効果がある。さらに、空間光変調素子の複合
基板に形成された単結晶半導体薄膜層中に光変調素電極
及びスイッチングトランジスタに加えて周辺駆動回路、
論理回路あるいはメモリを同時に形成する事かできるの
で極めて小型な光演算チップを構成する事かできるとい
う効果かある。さらに、複合基板を構成する石英ガラス
中に集光機能を有する円筒レンズアレイを熱拡散技術を
用いて形成する事かできるので光演算チップのより高度
なハイブリッド化が達成できるという効果かある。加え
て、空間光変調素子の電気的光学物質層として双安定状
態を有する強誘電性液晶を用いる事により、極めて高速
に２値７トリクスを用いた演算処理を行なう事かできる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる集積型の積層光演算素子の基本
的構成を示す模式的分解側面図、第２図は本発明にかか
る光演算素子の一実施例を示す模式的斜視図、第３図は
光演算素子の他の実施例を示す模式的側面図、第４図は
光演算素子に内蔵される空間光変調素子あるいは光弁の
詳細構造を示す模式的拡大斜視図、第５図（Ａ）及び第
５図（Ｂ）は空間光変調素子に含まれる個々の光変調素
の動作を説明する為の模式的斜視図、第６図（Ａ）及び
第６図（Ｂ）は空間光変調素子の電気光学的物質として
双安定性を有する強誘電性液晶を用いた場合の動作を説
明する為の模式的平面図、第７図（Ａ）ないしく１）は
空間光変調素子の基板として用３　］ いられる半導体チップの製造方法を示す工程図、及び第
８図は従来の光演算素子を示す模式図である。 １・・・Ｘ軸二次元ＬＥＤアレイ ２・・・光　弁 ３・・・Ｘ軸二次元フォトダイオードアレイ４・・・閾
値処理比較器 ５・・・Ｘ方向母線を有する円筒レンズアレイ６・・・
Ｙ方向母線を有する円筒レンズアレイ７・・・行列信号
入力手段 ８・・・ベクトル信号入力手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、行状に配列された発光線部を有し、入力されたベク
   トルの各成分値に応じて行別に発光する発光部と、 行列状に配列された光変調素を有し、与えられたマトリ
   クスの対応する各成分値に応じて該発光をマトリクス変
   調する為の空間光変調部と、列状に配列された受光線部
   を有し、該変調光を列別に受光するとともに各受光強度
   に応じた成分値を有するベクトルを出力する為の受光部
   とからなる積層構造を有し、 入力ベクトルと与えられたマトリクスの積演算を行なう
   光演算素子において、 該空間光変調部は、担体層及びその上に形成された半導
   体単結晶薄膜層からなる複合基板と、該半導体単結晶薄
   膜層の上に行列状に形成された複数の光変調素電極と、 該半導体単結晶薄膜層に集積的に形成されており、マト
   リクスの各成分値に応じて対応する光変調素電極を駆動
   する為の駆動回路と、 該複合基板に所定の間隙を介して対向配置された対向基
   板と、 該間隙に配置され個々の光変調素電極により制御されて
   マトリクス光変調を行なう電気光学物質層とからなる事
   を特徴とする光演算素子。 ２、該担体層は石英からなり、該半導体単結晶薄膜層は
   シリコンからなる請求項１に記載の光演算素子。 ３、該シリコン半導体単結晶薄膜層は結晶方位に関し＜
   １００＞０．０±１．０の範囲の一様性を有し、その単
   結晶格子欠陥密度は５００個／ｃｍ＾２以下である事を
   特徴とする請求項２に記載の光演算素子。 ４、該担体層には、行別に放射された該発光を空間光変
   調部の対応する行に集光する為の行状に配列された円筒
   レンズアレイが形成されている事を特徴とする請求項１
   に記載の光演算素子。 ５、該電気光学物質層は、ツイスト配向されたネマティ
   ック液晶からなる事を特徴とする請求項１に記載の光演
   算素子。 ６、該電気光学物質層は、双安定状態を有する強誘電性
   液晶からなる事を特徴とする請求項１に記載の光演算素
   子。 ７、該発光部は、面発光素子と、該面発光素子の発光面
   に配置され実質的に発光面を行状に分割するとともに入
   力されたベクトルの各成分値に応じて行毎の発光強度を
   制御する為の追加の空間光変調部とからなる事を特徴と
   する請求項１に記載の光演算素子。 ８、該受光部から出力されたベクトルの各成分を閾値処
   理し、その結果得られたベクトルを再度該発光部に入力
   する為のフィードバック手段を有し、フィードバック型
   ニューラルネットワークを構成する事を特徴とする請求
   項１に記載の光演算素子。