JP4854975B2 - Write / read method for optical semiconductor memory device - Google Patents
Write / read method for optical semiconductor memory device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4854975B2 JP4854975B2 JP2005082484A JP2005082484A JP4854975B2 JP 4854975 B2 JP4854975 B2 JP 4854975B2 JP 2005082484 A JP2005082484 A JP 2005082484A JP 2005082484 A JP2005082484 A JP 2005082484A JP 4854975 B2 JP4854975 B2 JP 4854975B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- quantum dots
- layer
- light
- semiconductor layer
- information
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C2216/00—Indexing scheme relating to G11C16/00 and subgroups, for features not directly covered by these groups
- G11C2216/02—Structural aspects of erasable programmable read-only memories
- G11C2216/08—Nonvolatile memory wherein data storage is accomplished by storing relatively few electrons in the storage layer, i.e. single electron memory
Description
本発明は、光半導体記憶装置の書込み読出し方法に関し、より詳しくは量子ドットを有する光半導体記憶装置の情報の書込み、読出し方法に関する。 The present invention relates to a method for writing / reading an optical semiconductor memory device, and more particularly to a method for writing / reading information in an optical semiconductor memory device having quantum dots.
情報通信技術の飛躍的な進歩により、光デバイスと電子デバイスのそれぞれの特徴を生かしたシステムの構築が望まれている。 Due to dramatic progress in information and communication technology, it is desired to construct a system that takes advantage of the characteristics of optical devices and electronic devices.
光デバイスの特徴は、高速性、並列処理の可能性が電子デバイスと比較して高いことである。これまでにも光デバイスを用いた記憶装置(メモリデバイス)が種々提案されているが、具体化されたものはいままでにない。 The feature of the optical device is that it has a higher speed and higher possibility of parallel processing than an electronic device. Various storage devices (memory devices) using optical devices have been proposed so far, but none have been embodied yet.
これは、メモリセルを光デバイスから構築したとしても、周辺の理論回路やスイッチング回路が電子デバイスで構成されている現状では、光デバイスと電子デバイスをそれぞれ特徴をもたせて活用することが重要な課題となるからである。また、光メモリの明確なデバイス概念もないのが実情である。 This is because even if memory cells are constructed from optical devices, it is important to use optical devices and electronic devices with their own characteristics in the current situation where the surrounding theoretical circuits and switching circuits are composed of electronic devices. Because it becomes. Also, there is no clear device concept of optical memory.
量子ドット(量子箱)の基底準位間の遷移エネルギが極めて急峻な光吸収スペクトルを持つこと、また、光の吸収飽和が強ければ光による情報の書込み、読出しが可能であるので、量子ドットを光メモリとして使用することが考えられている。また、量子ドットの形状、サイズを変化させると量子ドットごとの吸収波長を変化させることができ、多重波長で情報を記憶させることが可能になる。1つの量子ドットに1ビットの情報を記憶できると、10nm×10nmの領域に1ビット、1cm2 の領域に1テラビット程度の記憶が可能になる。 Since the transition energy between the ground levels of quantum dots (quantum boxes) has an extremely steep light absorption spectrum, and if light absorption saturation is strong, information can be written and read by light. It is considered to be used as an optical memory. Further, if the shape and size of the quantum dots are changed, the absorption wavelength for each quantum dot can be changed, and information can be stored at multiple wavelengths. If 1-bit information can be stored in one quantum dot, 1 bit can be stored in a 10 nm × 10 nm region, and about 1 terabit can be stored in a 1 cm 2 region.
このような波長多重メモリは、Shunichi Muto, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.34 (1995) pp.L210-L212 において提案されている。 Such a wavelength multiplexing memory is proposed in Shunichi Muto, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34 (1995) pp. L210-L212.
この波長多重メモリは、主面が傾斜したAlAs基板とその上に形成されたIII-V族化合物半導体層とによって構成される。そのAlAs基板の主面には傾斜により2つの方向に段差が形成され、その段差のコーナーにGaAsが形成されその周囲にAlGaAs層が形成されている。これによりAlGaAs層に囲まれたGaAsは量子箱となる。 この多重波長メモリの1つの量子箱とその周辺の層の部分的なバンドダイアグラムを示すと図30のようになる。 This wavelength division multiplexing memory is composed of an AlAs substrate whose main surface is inclined and a III-V group compound semiconductor layer formed thereon. A step is formed on the main surface of the AlAs substrate in two directions by inclination, GaAs is formed at the corner of the step, and an AlGaAs layer is formed around the step. As a result, GaAs surrounded by the AlGaAs layer becomes a quantum box. FIG. 30 shows a partial band diagram of one quantum box of this multi-wavelength memory and its surrounding layers.
そして、量子箱のバンドダイアグラムにおいて、価電子帯と伝導帯のそれぞれの基底準位間のセパレーションエネルギーと同じエネルギーをもつ光を照射すると、量子箱の価電子帯の基底準位からから伝導帯の基底準位に電子が遷移して電子・正孔対が生成する。 Then, in the band diagram of the quantum box, when the light having the same energy as the separation energy between the ground level of the valence band and the conduction band is irradiated, the conduction band from the ground level of the quantum box valence band Electrons transition to the ground level and electron-hole pairs are generated.
ここで、電子はトンネル確率が高く、また、AlAsのX点バンドエネルギーが低いために、AlGaAsバリアをトンネルして量子ドットの外部に移動する。電子の移動は電流の変化として検出される。 Here, since electrons have a high tunnel probability and the X point band energy of AlAs is low, the electrons tunnel through the AlGaAs barrier and move outside the quantum dots. Electron movement is detected as a change in current.
これに対して正孔は外部に出にくいために、正孔だけが量子箱に残された状態となる。この状態において、同じ波長の光が照射されても正孔が存在するために強い吸収飽和を起こしているので、光の吸収がほとんど起きなくなる。 On the other hand, since it is difficult for holes to come out, only the holes are left in the quantum box. In this state, even if light of the same wavelength is irradiated, since there is a hole and strong absorption saturation occurs, light absorption hardly occurs.
このような現象を利用して光による情報の書込み、読出しが可能になる。また、サイズや形状の異なる複数の量子箱を用いれば、量子箱毎に書込み、読出し用の波長も相違することになるので、多重の波長で多数の情報を記憶することが可能になる。これにより、多重波長メモリが得られる。 By using such a phenomenon, information can be written and read by light. If a plurality of quantum boxes having different sizes and shapes are used, the wavelengths for writing and reading differ for each quantum box, so that a large amount of information can be stored with multiple wavelengths. Thereby, a multiple wavelength memory is obtained.
しかし、そのような多重波長メモリは、量子箱から出た電子がまた量子箱に戻って再結合する確率が大きいので、保持時間が1〜10ms程度と短くなっている。また、吸収飽和が存在するか否かを光の吸収で検知する必要があり、そのための具体的な構造については示されいない。 However, since such a multi-wavelength memory has a high probability that electrons coming out of the quantum box will return to the quantum box and recombine, the retention time is as short as about 1 to 10 ms. Moreover, it is necessary to detect whether absorption saturation exists by light absorption, and a specific structure for that purpose is not shown.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、記録保持時間をさらに長くするとともに、実用可能な光半導体記憶装置の書込み読出し方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and it is an object of the present invention to provide a method for writing and reading an optical semiconductor memory device that can be practically used while further extending the recording retention time.
上記した課題は、半導体層中に形成された量子ドットに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層から流れる電流の変化により前記情報を読み出す光半導体記憶装置の書込み読出し方法であって、前記半導体層はn型半導体層とp型半導体層の間に形成され、前記書込みの際には該n型半導体層と該p型半導体層に逆バイアス電圧を印加し、前記読出しの際には該n型半導体層と該p型半導体層に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法によって解決する。 The above-described problem is that a quantum dot formed in a semiconductor layer is irradiated with light, and light having a wavelength corresponding to the energy difference between each ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dot is irradiated. A method for writing and reading information in an optical semiconductor memory device, wherein information is written by causing burning, and the quantum dots are irradiated with light of the wavelength to read the information by a change in current flowing from the semiconductor layer. Is formed between an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer , a reverse bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer at the time of writing, and the n-type semiconductor layer at the time of reading. This is solved by a method for writing and reading in an optical semiconductor memory device, wherein a reverse bias voltage is applied to the semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
上記した課題は、半導体層中に形成された量子ドットに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、
前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層を透過する光量により、前記情報を読み出す光半導体記憶装置の書込み読出し方法であって、
前記半導体層はn型半導体層とp型半導体層の間に形成され、前記書込みの際には該n型半導体層と該p型半導体層に逆バイアス電圧を印加し、前記読出しの際には該n型半導体層と該p型半導体層にバイアス電圧を印加しないか又は順バイアス電圧を印加することを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法によって解決する。
The above-described problem is that a quantum dot formed in a semiconductor layer is irradiated with light, and light having a wavelength corresponding to the energy difference between each ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dot is irradiated. Burns and writes information,
An optical semiconductor memory device writing / reading method for reading the information by the amount of light passing through the semiconductor layer by irradiating the quantum dots with light of the wavelength,
The semiconductor layer is formed between an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer , a reverse bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer at the time of writing, and at the time of reading. This is solved by a write / read method for an optical semiconductor memory device in which a bias voltage is not applied or a forward bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットを有し、前記情報の読出しの際には該エネルギー差に対応した複数の波長の光を連続的に変化させて前記量子ドットに照射することを特徴とする。 In a method for writing and reading in an optical semiconductor memory device, the method includes a plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels, and continuously reading light having a plurality of wavelengths corresponding to the energy differences when reading the information. The quantum dots are irradiated with a change in the pattern.
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットを有し、前記情報の書込み、前記情報の読出しの際にはこれらのエネルギー差に対応した複数の波長の光を同時に照射することを特徴とする。この場合、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットは膜厚方向に配置され、前記情報の書込みの際には、光照射によってキャリアが移動する方向の順にしたがって前記量子ドットに情報を書き込むことを特徴とする。また、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットは膜厚方向に配置され、前記情報の読出の際には、光照射によるキャリアの移動方向と逆方向の順にしたがって前記量子ドットの情報を読み出すことを特徴とする。 In a method for writing and reading in an optical semiconductor memory device, the plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels, and a plurality corresponding to these energy differences when the information is written and the information is read It is characterized by simultaneously irradiating light of the wavelength. In this case, the plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels are arranged in the film thickness direction, and when writing the information, the quantum dots are arranged in the order in which the carriers move by light irradiation. It is characterized by writing information. Further, the plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels are arranged in the film thickness direction, and when reading the information, the quantum dots are arranged in the order opposite to the carrier moving direction by light irradiation. This information is read out.
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する半導体層に電界を生じさせて前記量子ドットに電子を供給して前記情報を初期化することを特徴とする。 In the write / read method of the optical semiconductor memory device, an electric field is generated in the semiconductor layer having the quantum dots to supply electrons to the quantum dots to initialize the information.
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する半導体層に電流を流すことにより前記情報の書込みを禁止することを特徴とする。 In the writing / reading method of the optical semiconductor memory device, writing of the information is prohibited by passing a current through the semiconductor layer having the quantum dots.
または、半導体層内に量子ドットが複数存在し、複数の前記量子ドットのうち最も小さい前記基底準位間のエネルギー差よりも大きく、且つ前記半導体層のエネルギーバンドギャップよりも小さい範囲のエネルギー幅を有する光を前記量子ドットに照射して前記量子ドットの全てをホールバーニング状態にすることを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法によって解決する。 Alternatively, there are a plurality of quantum dots in the semiconductor layer, and an energy width in a range larger than the smallest energy difference between the ground levels among the plurality of quantum dots and smaller than the energy band gap of the semiconductor layer. This problem is solved by a method for writing and reading in an optical semiconductor memory device, wherein the quantum dots are irradiated to the quantum dots so that all of the quantum dots are in a hole burning state.
本発明によれば、量子ドットを有する半導体層を第1及び第2の導電膜によって挟み、その導電膜間に電界を発生させてホールバーニングによって量子ドットから放出された電子を量子ドットに戻り難くしている。 According to the present invention, a semiconductor layer having quantum dots is sandwiched between first and second conductive films, an electric field is generated between the conductive films, and electrons emitted from the quantum dots by hole burning are difficult to return to the quantum dots. is doing.
また、他の本発明によれば、第一導電型不純物含有半導体層の上に、内部に量子ドットを有するキャリア障壁半導体層を形成して波長多重メモリを構成しているので、光照射によってホールバーニングが生じると、量子ドットから出た電子は第一導電型不純物含有半導体層に流れ出る確率が高くなり、量子ドットにキャリアが流れて再結合が生じる確率は低くなる。 According to another aspect of the present invention, a wavelength-division multiplexed memory is formed by forming a carrier barrier semiconductor layer having quantum dots therein on the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer. When burning occurs, the probability that electrons emitted from the quantum dots flow out to the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer is high, and the probability that carriers flow into the quantum dots and recombination occurs is low.
情報の書込みは、量子ドットに光を照射してホールバーニングを生じさせるか、光を照射せずにホールバーニングを生じさせないかによって情報の書込みを行う。例えばホールバーニグが生じている場合にはデータを「1」、それが生じていない場合にはデータを「0」とする。 Information is written depending on whether the quantum dots are irradiated with light to cause hole burning, or not irradiated with light to cause hole burning. For example, the data is “1” when hole burning occurs, and the data is “0” when no hole burning occurs.
このようにして書込まれた情報は、同じ波長の光を照射して読み出され、光照射によって半導体層に流れる電流の変化やその光の吸収量の変化によって「1」と「0」を判断する。 The information written in this way is read out by irradiating light of the same wavelength, and “1” and “0” are changed by the change in the current flowing through the semiconductor layer by the light irradiation and the change in the amount of absorbed light. to decide.
量子ドットにデータ「0」が書き込まれている場合には、読み出し用の光によって量子ドット内では電子正孔対が生じるので、量子ドット内で光の吸収が生じたり電子が外部に流れたりする。これによりデータ「0」が書き込まれていたと判断する。 When data “0” is written in the quantum dot, an electron-hole pair is generated in the quantum dot by the readout light, and thus light absorption occurs in the quantum dot or electrons flow to the outside. . As a result, it is determined that data “0” has been written.
光照射によって量子ドットから電子が放出される場合には、上記した第一導電型不純物半導体層をn型半導体層とすることにより、量子ドットの量子準位と第一導電型不純物半導体層のエネルギー的に分離されるので、拡散電位によって量子ドットに電子が戻り難くなる。 When electrons are emitted from the quantum dots by light irradiation, the quantum level of the quantum dots and the energy of the first conductivity type impurity semiconductor layer can be obtained by using the first conductivity type impurity semiconductor layer as an n-type semiconductor layer. Therefore, the electrons are difficult to return to the quantum dots due to the diffusion potential.
量子ドットにデータ「1」が書き込まれている場合には、読み出し用の光によって量子ドット内では電子正孔対が生じないので、量子ドットにより光吸収されたり電子が外部に移動することはない。これによりデータ「1」が書き込まれていたと判断する。 When data “1” is written in the quantum dot, the electron-hole pair is not generated in the quantum dot by the light for reading, and thus the light is not absorbed by the quantum dot and the electron does not move outside. . As a result, it is determined that data “1” has been written.
情報の書き込みや読み出しに使用される光は、量子ドットの伝導帯と価電子帯の基底準位間のエネルギー差に対応する波長に限られる。このため、量子ドットのサイズを異ならせることによって書き込みや読み出しに使用する光の波長が異なってくるので、量子ドットのサイズの相違する数によって記憶素子のビット数が決定される。 The light used for writing and reading information is limited to a wavelength corresponding to the energy difference between the ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dot. For this reason, since the wavelength of light used for writing and reading differs by changing the size of the quantum dots, the number of bits of the storage element is determined by the number of the different sizes of the quantum dots.
情報の初期化は量子ドットへの電子の注入によって行われ、例えば量子ドットの周囲の半導体層に電界をかけたり光を照射することなどによって行われる。 Information initialization is performed by injecting electrons into the quantum dots, for example, by applying an electric field or irradiating light to a semiconductor layer around the quantum dots.
情報を破壊しないためには、情報保存や情報読出しの際に、量子ドットの周囲のエネルギーバリアが厚くなるように量子ドットの周囲の不純物含有半導体層にバイアス電圧を印加する。 In order not to destroy the information, a bias voltage is applied to the impurity-containing semiconductor layer around the quantum dots so that the energy barrier around the quantum dots is thick when storing or reading information.
フォトダイオードやバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタなどの能動素子の一部に量子ドットを含む半導体層を採用すると、これによって光半導体記憶素子が構成される。能動素子を基本構造に採用することによって、情報読み出しの際に流れる電流を増幅したり、光量を電気信号に変換することが可能になり、情報の読み出しが容易になる。 When a semiconductor layer including quantum dots is adopted as part of an active element such as a photodiode, bipolar transistor, or field effect transistor, an optical semiconductor memory element is configured thereby. By adopting an active element as a basic structure, it is possible to amplify a current flowing when reading information, or to convert a light amount into an electrical signal, and to read information easily.
量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合には、光エネルギーを経時的に変化させて情報を書き込むか、或いは大きさの異なる複数の光エネルギーを混合させて同時に情報を書き込むかのいずれかである。エネルギーを変化させて光を量子ドットに照射する場合には、既に書き込まれた量子ドットの情報の破壊を防止するために、キャリアの移動方向に並んだ順に従って書き込むのが望ましい。 When multiple quantum dots are formed in the film thickness direction and their sizes are different, the information is written by changing the light energy over time or by mixing multiple light energies of different sizes. Either write. When the quantum dots are irradiated with light while changing energy, it is desirable to write in the order in which they are arranged in the carrier moving direction in order to prevent destruction of information on the already written quantum dots.
また、量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合には、光エネルギーを経時的に変化させて情報を読み出すのが好ましい。ただし、まだ読み出されていない量子ドットの情報の破壊を防止するためには、キャリアの移動方向と反対方向に並んだ順に従って書き込むのが望ましい。 In addition, when a plurality of quantum dots are formed in the film thickness direction and their sizes are different, it is preferable to read information by changing light energy with time. However, in order to prevent destruction of information of quantum dots that have not yet been read, it is desirable to write in the order aligned in the direction opposite to the carrier movement direction.
以上述べたように本発明によれば、量子ドットを有する半導体層を第1及び第2の導電膜によって挟み、その導電膜間に電界を発生させてホールバーニングによって量子ドットから放出された電子を量子ドットに戻り難くしている。 As described above, according to the present invention, the semiconductor layer having quantum dots is sandwiched between the first and second conductive films, an electric field is generated between the conductive films, and the electrons emitted from the quantum dots by the hole burning are detected. It is difficult to return to quantum dots.
また、他の本発明によれば、第一導電型不純物含有半導体層の上に、内部に量子ドットを有するキャリア障壁半導体層を形成して波長多重メモリを構成しているので、光照射によってホールバーニングが生じると、量子ドットから出た電子は第一導電型不純物含有半導体層に流れ出る確率が高くなり、量子ドットにキャリアが流れて再結合が生じる確率は低くなる。 According to another aspect of the present invention, a wavelength-division multiplexed memory is formed by forming a carrier barrier semiconductor layer having quantum dots therein on the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer. When burning occurs, the probability that electrons emitted from the quantum dots flow out to the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer is high, and the probability that carriers flow into the quantum dots and recombination occurs is low.
これらの発明において、半導体層内に量子ドットを形成し、これに光を照射してホールバーニングを生じさせるか、光を照射せずにホールバーニングが生じさせないかによって情報の書込みを行っているので、ホールバーニグが生じているか否かによってデータの書き込みが可能になる。 In these inventions, quantum dots are formed in the semiconductor layer, and information is written by irradiating light to the hole to cause hole burning or not irradiating light to cause hole burning. Depending on whether or not hole burning occurs, data can be written.
書込まれた情報は、同じ波長の光を照射して読み出され、光照射によって半導体層に流れる電流の変化やその光の吸収量の変化によって「1」と「0」を判断できる。 The written information is read out by irradiating light of the same wavelength, and “1” and “0” can be determined by the change in the current flowing through the semiconductor layer by the light irradiation and the change in the amount of absorbed light.
情報の書き込みや読み出しに使用される光は、量子ドットの伝導帯と価電子帯の基底準位間のエネルギー差に対応する波長に限られるため、量子ドットのサイズを異ならせることによって書き込みや読み出しに使用する光の波長が異なってくるので、量子ドットのサイズの相違する数によって記憶素子のビット数を決定できる。 The light used for writing and reading information is limited to the wavelength corresponding to the energy difference between the ground level of the quantum dot conduction band and the valence band, so writing or reading by changing the size of the quantum dots. Since the wavelength of the light used for this is different, the number of bits of the storage element can be determined by the number of quantum dot sizes different from each other.
ホールバーニングが生じさせるか否かによって情報の書き込みを行っているので、情報の初期化は量子ドットへの電子の注入によって行うことができる。 Since information is written depending on whether or not hole burning occurs, information initialization can be performed by injecting electrons into the quantum dots.
情報保存や情報読出しの際に、量子ドットの周囲のエネルギーバリアが厚くなるようにバイアス電圧を印加すると、情報の破壊を防止できる。 When a bias voltage is applied so as to thicken the energy barrier around the quantum dots during information storage or information reading, information destruction can be prevented.
以上のような量子ドットを含む半導体層を能動素子の一部に採用することによって光半導体記憶素子を構成しているので、情報読み出しの際に流れる電流を増幅したり、光量を電気信号に変換することが可能になり、情報の読み出しが容易になる。 An optical semiconductor memory element is configured by adopting a semiconductor layer containing quantum dots as described above as a part of the active element, so that the current that flows when reading information is amplified or the amount of light is converted into an electrical signal. It becomes possible to read out information.
量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合に、エネルギーを変化させて書込み用の光を量子ドットに照射する場合には、キャリアの移動方向に並んだ順に従って書き込むようにすると、既に書き込まれた量子ドットの情報の破壊を防止できる。 When multiple quantum dots are formed in the film thickness direction and their sizes are different, when changing the energy and irradiating the quantum dots with light for writing, write in the order in which they are aligned in the carrier movement direction. Then, it is possible to prevent destruction of information on the already written quantum dots.
また、量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合に、キャリアの移動方向と反対方向に並んだ順に従って書き込むようにすると、光エまだ読み出されていない量子ドットの情報の破壊を防止することができる。 In addition, when multiple quantum dots are formed in the film thickness direction and their sizes are different, writing in the order aligned in the direction opposite to the carrier movement direction causes information on the quantum dots that have not been read out yet. Can be prevented.
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Accordingly, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の光半導体記憶素子の製造工程を図1(a) 〜(c) を参照して説明する。以下に述べるIII-V族半導体は、例えばMBE装置を用いて成長される。
(First embodiment)
A manufacturing process of the optical semiconductor memory element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The group III-V semiconductor described below is grown using, for example, an MBE apparatus.
まず、主面が(111)面から微傾斜した面を主面とするn型のGaAs基板1を用意する。そして、図1(a) に示すように、GaAs基板1の主面上に不純物濃度1×1018atoms/cm3 のn型GaAs層2を50nmの厚さに形成し、さらにn型GaAs層2の上にアンドープのAl0.5Ga0.5As層3を25nmの厚さに形成する。続いて、Al0.5Ga0.5As層3の上にInAs層4を数原子層 (atomic layer、以下MLという) の厚さに形成する。 次に、図1(b) に示すように、再びアンドープのAl0.5Ga0.5As層3を25nmの厚さに成長してInAs層4を内包した状態にする。2回目のAl0.5Ga0.5As層3を形成した後には、Al0.5Ga0.5As層3とInAs層4の格子定数の違いが原因でInAs層4はドロップレット状に形状に変化する。即ち、ドロップレット状のInAs層4は量子ドット(量子箱)4aになる。量子ドット4aは、成長温度が高くなるに従ってその径が大きくなり、例えば450℃では平均サイズが15nm程度となる。また、同じサイズの量子トッド4aは複数個存在する。
First, an n-
(111)面から数度傾斜した面の上に量子ドット4aを形成すると、量子ドット4aとなるInAs層4の成長条件を調整することにより、図2に示すように、傾斜に生じる結晶の段毎にサイズの異なる量子ドット4aが複数個存在する。基本的には、量子ドット4aのサイズや形状が異なると量子ドット4aのポテンシャル井戸幅が相違し、ひいては量子ドット4a内で光吸収による電子正孔対生成のための光のエネルギー(波長)が異なる。
When the
この後に、図1(c) に示すように、アンドープのAl0.5Ga0.5As層3の上にp型のAl0.5Ga0.5As層4を200nmの厚さに成長する。このp型のAl0.5Ga0.5As層5の不純物濃度は1×1018atoms/cm3 とする。このAl0.5Ga0.5As層5はキャリア障壁(バリア)層となる。
Thereafter, as shown in FIG. 1C, a p-type Al0.
なお、量子ドットの形成については、J. Y. Marchin et al., Photoluminesence of Single InAs Quantum Dots Obtained by Self-Organized Growth on GaAs, Physical Review Letters Vol.73, No. 5. 1994, pp.716-719 に記載されており、ドットサイズや形状は成長温度、InとAsのモル比などにより制御できる。 The formation of quantum dots is described in JY Marchin et al., Photoluminesence of Single InAs Quantum Dots Obtained by Self-Organized Growth on GaAs, Physical Review Letters Vol. 73, No. 5. 1994, pp. 716-719. The dot size and shape can be controlled by the growth temperature and the molar ratio of In and As.
そして、図1(d) に示すように、n型のGaAs基板1の底面にn側電極1aを形成し、p型のAl0.5Ga0.5As層5の上にp側電極5aを形成する。
Then, as shown in FIG. 1D, an n-side electrode 1 a is formed on the bottom surface of the n-
これにより波長多重メモリとよばれる光半導体記憶素子の基本的な構造が完成する。 As a result, a basic structure of an optical semiconductor memory element called a wavelength multiplexing memory is completed.
1つの量子ドット4aとその周囲の半導体層のエネルギーバンドを示すと図3(a) のようになる。
FIG. 3A shows the energy band of one
そして、量子ドット4aに光を照射すると、図3(b) に示すように、価電子帯(Ev )から伝導帯(Ec )へ電子が遷移して電子・正孔対が生成される。その光のエネルギー(波長)hvは、価電子帯の基底準位と伝導帯の基底準位の間のエネルギー(以下に、セパレーションエネルギーという)と同じ大きさとする。セパレーションエネルギーと異なるエネルギーの光を照射しても電子・正孔対は生成されない。電子・正孔対の生成に寄与した光は吸収され、量子ドット4aを透過しない。
When the
ところで、エネルギーバンドダイアグラムにおいては、n型のGaAs層2とp型のAl0.5Ga0.5As層5の間の拡散電位によりアンドープのAl0.5Ga0.5As層3は傾斜するので、量子ドット4aに対するAl0.5Ga0.5As層3のエネルギーバリアは薄くなる。この結果、量子ドット4aの伝導帯の基底準位に遷移した電子は、Al0.5Ga0.5As層3をトンネルしてn型のGaAs層2に移動する。
By the way, in the energy band diagram, the undoped Al0.
n型のGaAs層2の伝導帯は、アンドープのAl0.5Ga0.5As層3を介して量子ドット4aの伝導帯から空間的に隔てられる。また、n型のGaAs層2のバンドギャップは、Al0.5Ga0.5As層3のバンドギャップよりも小さく、それらのエネルギー差は大きい。このことは、量子ドット4aの伝導帯の量子準位とGaAs層2とがエネルギー的に分離されていることになる。
The conduction band of the n-
従って、n型のGaAs層2に到達した電子が、Al0.5Ga0.5As層3を介して量子ドット4aに戻る確率、即ち再結合の確率は極めて小さくなる。
Therefore, the probability that electrons that have reached the n-
例えば、n型GaAs層2の伝導帯又はフェルミ準位EF と量子ドット4aの伝導帯の基底準位とのエネルギー差を約0.6eVとすると、量子ドット4a内での正孔の保持時間は1000時間以上と従来よりも長くなり、室温での動作が可能になる。
For example, if the energy difference between the conduction band or Fermi level EF of the n-
この結果、図3(c) に示すように、量子ドット4aの価電子帯の基底準位に正孔が閉じ込めれた状態になる。
As a result, as shown in FIG. 3C, holes are confined in the ground level of the valence band of the
このように、量子ドット4aの伝導帯の基底準位に遷移した電子がエネルギーバリアをトンネルして外部に移動し、正孔だけが量子ドット4aの価電子帯に残されるといった現象を、一般にホールバーニングという。
In this way, the phenomenon in which electrons that have transitioned to the ground level of the conduction band of the
次に、上記した構造を有する光半導体記憶素子での情報の書込み、読出しについて説明する。 Next, writing and reading of information in the optical semiconductor memory element having the above structure will be described.
書込み、読出しに用いる光は光ファイバFから照射される。 Light used for writing and reading is emitted from the optical fiber F.
まず、データ「0」を書込む場合には、光を照射せずに図3(a) のようなエネルギーバンドの状態にする。 First, when data “0” is written, the energy band state as shown in FIG.
これに対して、データ「1」を書込む場合には、量子ドット4aのセパレーションエネルギーに相当するエネルギーの光を量子ドット4aに照射する。これにより図3(c) に示すように、量子ドット4a内ではホールバーニングが生じる。これにより、データ「1」が書込まれたことになる。
On the other hand, when data “1” is written, the
データ「1」の書込みによってn型のGaAs層2の伝導帯に移動した電子は、空間的及びエネルギー的に分離された量子ドット4aに戻ってそこで再結合する確率が極めて小さくなり、データ「1」は消滅しない。
The electrons transferred to the conduction band of the n-
データを読み出す場合には次のような方法による。 When reading data, the following method is used.
まず、n側電極1aとp側電極5aの間に逆バイアス電圧を印加する。 First, a reverse bias voltage is applied between the n-side electrode 1a and the p-side electrode 5a.
そして、書き込まれたデータを読み出す際には、量子ドット3aのセパレーションエネルギーと同じエネルギーの光を量子ドット3aに照射する。 When reading the written data, the quantum dots 3a are irradiated with light having the same energy as the separation energy of the quantum dots 3a.
データ「1」が書き込まれている場合には図3(c) に示すように量子ドット4aからn型のGaAs層2への電子の移動がなく、電極1a,5aに接続されたモニターMに流れる電流は変化しない。したがって、照射された光は量子ドット4aを透過する。
When data “1” is written, there is no movement of electrons from the
データ「0」が書き込まれている場合には、図3(b) に示すように、光の照射により量子ドット4aではホールバーニングが起こり、n型GaAs層2に電子が移動してモニターには電流が流れることになる。この場合、同じ大きさの量子ドットを多数形成しておくと移動する電子の量が増えるので、検出感度が高くなる。また、n型GaAs層2とアンドープAl0.5Ga0.5As層3の間にn- 型GaAs層を介在させて、ここに高電界をかけてアバランシェを生じ易くして、受光感度を高くしてもよい。
When data “0” is written, as shown in FIG. 3B, hole burning occurs in the
以上のように電流の有無によって記憶情報の読出しが可能になるが、読出しを続けて複数回行うことはできないので、読出しの後には記憶のリフレッシュが必要になる。すなわち、データ「0」の読出しによりホールバーニングが生じたら、n型GaAs層2とp型Al0.5Ga0.5As層5の間に正バイアスの電圧を印加してキャリアを量子ドット3aに注入して再結合を生じさせて情報を消去した後に、再書込みを行う。
As described above, the stored information can be read depending on the presence or absence of the current. However, since the reading cannot be performed a plurality of times, the storage needs to be refreshed after the reading. That is, when hole burning occurs by reading data “0”, a positive bias voltage is applied between the n-
ところで、量子ドット3aのセパレーションエネルギーは、量子ドット4aの径の大きさやInAs層4の成長温度によって相違する。径の異なる複数の量子ドット4aが存在することは、波長の異なる複数の光を素子に照射してホールバーニングを発生させ、複数の情報を同時に書込み、読出しできることになる。
By the way, the separation energy of the quantum dots 3 a differs depending on the diameter of the
従って、径の相違によって分けられた量子ドット4aの群の群数が、光記憶素子のビット数になる。
Accordingly, the number of groups of the
波長の異なる光を用いて読出しする場合には、読出しの際に量子ドット4aに照射する特定波長の光量は、書込みの際に照射する光よりも少なくするのが好ましい。これは、データ「0」を読み出す際に、光量を少なくすることによって、同一径の複数の量子ドットのうち一部がホールバーニングすることになる。したがって、ホールバーニングにより放出された電子が他の径の量子ドットに入り込んで情報を破壊する数を少なくことができ、これにより、リフレッシュの回数を減らしたり無くすることができる。
When reading using light having different wavelengths, it is preferable that the amount of light of a specific wavelength irradiated to the
なお、1つの量子ドットから出る電子は2個であるが、理解を容易にするために図では1個の電子のみを示している。 Note that although there are two electrons emitted from one quantum dot, only one electron is shown in the figure for easy understanding.
(第2実施形態)
第1実施形態で示した光半導体記憶素子のデータを光吸収率の変化により情報を読み出す方法について、以下に説明する。
(Second Embodiment)
A method of reading data from the optical semiconductor memory element shown in the first embodiment by changing the light absorption rate will be described below.
書き込まれたデータ読み出す際には、量子ドット4aのセパレーションエネルギーと同じエネルギーの光を量子ドット4aに照射する。
When reading the written data, the
データ「0」が書き込まれている状態のエネルギーバンドは図3(a) に示すようになる。この状態で、量子ドット4aに光を照射すると図3(b) に示すように電子・正孔対が発生し、その光は量子ドット4a内で吸収されるので、光透過率は小さい。このように特定波長の光の吸収率が多い場合には、データ「0」が書き込まれていたと判断する。
The energy band in which data “0” is written is as shown in FIG. In this state, when the
一方、データ「1」が書き込まれている状態のエネルギーバンドは図3(c) に示すようになる。この状態では、量子ドット4aの価電子帯には正孔が存在するので、光を照射しても電子・正孔対が発生することがないので、光の量子ドット4a内での光透過率が大きくなる。このように、量子ドット4aに照射した光の吸収量が少ない場合にはデータ「1」が書き込まれていた判断する。
On the other hand, the energy band in which the data “1” is written is as shown in FIG. In this state, since holes exist in the valence band of the
この例では光の吸収率の変化によって情報をモニターするのであって、電流によって情報をモニターしないので、データ「0」の読出し時には量子ドット4aからn型GaAs層2に電子を移動させる必要はない。
In this example, information is monitored by a change in light absorption rate, and information is not monitored by current. Therefore, it is not necessary to move electrons from the
この場合、情報のリフレッシュ回数を少なくするためには、読出し時にトンネルを生じ難くすればよい。そこで、書込みの際に図3(b) に示すようにバリアでトンネルを生じさせ、読出しの際にバリアをトンネルし難くするためには、次のような方法を採用するとよい。 In this case, in order to reduce the number of information refreshes, it is only necessary to make it difficult to generate a tunnel at the time of reading. Therefore, in order to make a tunnel with a barrier as shown in FIG. 3B at the time of writing and make it difficult to tunnel the barrier at the time of reading, the following method may be adopted.
情報の書込み時には、電子が量子ドット4aからアンドープAl0.5Ga0.5As層3の外方に移動し易くする必要がある。このために、n型GaAs層2とp型Al0.5Ga0.5As層5に逆バイアス電圧を印加するのが好ましい。
At the time of writing information, it is necessary to facilitate movement of electrons from the
一方、記憶情報の読出しの時や情報保持時には、n型GaAs層2とp型Al0.5Ga0.5As層5にバイアス電圧を印加しないか、或いは順バイアスを印加しながら光を照射する。これによれば、情報の読出し時には、図4(a), (b)示すようにバリアとなるアンドープAl0.5Ga0.5As層3の傾斜が小さくなってバリアBが実質的に厚くなる。従ってデータ「0」が書き込まれた状態では、図4(a) に示すように、光照射によって電子・正孔対が生じるが、その電子はバリアBをトンネルせずに正孔と速やかに再結合するので、記憶情報が破壊されない。もちろん、データ「1」が書き込まれている場合には、図4(b) に示すように、光照射によって電子・正孔対が生じないのでデータが消えることはない。
On the other hand, when reading stored information or holding information, the n-
なお、データ保持の際にも、n型GaAs基板1とp型のAl0.5Ga0.5As層5の間に電圧を印加しないか、又は順バイアス電圧を印加しておくと、バリアBが厚くなるのでデータの消失が防止される。
Even when data is held, if no voltage is applied between the n-
径の異なる複数の量子ドット4aが存在する記憶素子における情報の読出しの際には、例えば図5に示すような波長と光吸収スペクトルの関係を調べる。そして、光吸収率の少ない波長に対応するセパレーションエネルギーの量子ドット4aでは、データ「1」が書き込まれていることがわかる。
When reading information from a storage element having a plurality of
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態の光半導体記憶素子は、図1(a) において量子ドット4aを含むアンドープAl0.5Ga0.5As層3にオーミック接触する透明導電層(不図示)をアンドープAl0.5Ga0.5As層3を挟む位置に形成したものである。例えば、n型GaAs層2とp型Al0.5Ga0.5As層5の少なくとも一方の代わりにITOよりなる透明電極を形成する。
(Third embodiment)
The optical semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention has a transparent conductive layer (not shown) in ohmic contact with the undoped Al0.
この構造の装置において、量子ドット4aの周囲のアンドープAl0.5Ga0.5As層3の横方向に電界Eを印加すると、図6(a) のようなエネルギーバンドが得られる。そして、量子ドット4aのセパレーションエネルギーに等しいエネルギーhν1 の光を量子ドット4aに照射すると、図6(b) に示すように、ホールバーニングが生じ、データ「1」が書き込まれる。
In the device having this structure, when an electric field E is applied in the lateral direction of the undoped Al0.
データ「0」を書き込む場合には、量子ドット3aに光を照射しないことを選択する。 When writing data “0”, it is selected not to irradiate the quantum dots 3 a with light.
なお、記憶情報の読出し方法については、第1及び第2実施形態と同じなので省略する。 The method for reading stored information is the same as in the first and second embodiments, and will not be described.
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態は、第1実施形態で示した装置のp型のAl0.5Ga0.5As層5の代わりに WSiからなる金属層を例えば200nmの厚さに形成して、アンドープのAl0.5Ga0.5As層3と金属層の接合部分にショットキーバリアを形成したものである。そのエネルギーバンドは図7のようになり、金属層6とAl0.5Ga0.5As層3の間にショットキーバリアが形成されていることがわかる。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment of the present invention, a metal layer made of WSi is formed to a thickness of, for example, 200 nm instead of the p-type Al0.
ショットキーバリアの高さはn-GaAsに対して約0.7eVなので、n型GaAs層2とショトキーバリア間の電位差が大きくて電子が量子ドット4aに戻り難く、これにより情報の保持時間が第1実施形態よりも長くなる。
Since the height of the Schottky barrier is about 0.7 eV with respect to n-GaAs, the potential difference between the n-
ショットキーバリアを有する光半導体記憶素子の一例を図8に示す。 An example of an optical semiconductor memory element having a Schottky barrier is shown in FIG.
この例では、半導体絶縁性基板7の上には、不純物濃度5×1017atoms/cm3 のn型GaAs層8が50nmの厚さに形成され、その上にInAsよりなる径の異なる複数の量子ドット4aを内包するアンドープのAl0.5Ga0.5As層3が50nmの厚さに形成され、さらにその上に WSiよりなるゲート電極9が200nmの厚さに形成されている。この場合、ゲート電極9とAl0.5Ga0.5As層3の接合部分には、ショットキー障壁が形成される。
In this example, an n-
また、ゲート電極9の両側には間隔をおいてソース電極10とドレイン電極11をAl0.5Ga0.5As層3に抵抗接続させる。ソース電極10、ドレイン電極11は厚さ20nmのAuGeと厚さ200nmのAuの2つの金属層から形成される。
Further, the
このような半導体記憶素子において、Al0.5Ga0.5As層3にその側方から光を照射して情報を書込む。
In such a semiconductor memory element, the Al0.
一方、情報の読出しの際には、ゲート電極9に読出し用の負電圧を印加するとともに、ソース電極10とドレイン電極11の間に電圧を印加して、ソース・ドレイン電流の大きさによって「1」か「0」を判断する。量子ドット4aにホールバーニングが生じている場合、即ち量子ドット4aにデータ「1」が書き込まれている場合には、正孔の存在によってゲート電圧9からの空乏層の広がりが抑制されるので、データ「0」が書き込まれている状態に比べてドレイン電流が大きくなることを利用している。
On the other hand, when reading information, a negative voltage for reading is applied to the
また、別の情報の読出し方法としては、ゲート電極9に電圧を印加してソース・ドレイン電流を流しながら、特定波長の光を照射しない状態と照射した状態でのソース・ドレイン電流の変化を調べてもよい。この場合には、特定波長の光を照射することによりドレイン電流が増加する場合には、量子ドット4aから電子がチャネル領域へ移動してホールバーニングが生じるので、データ「0」が書き込まれていたことがわかる。
As another method of reading information, a change in the source / drain current in the state where the light of a specific wavelength is not irradiated and in the state where the light is irradiated is applied while a voltage is applied to the
なお、径の異なる複数の量子ドット4aは、それぞれホールバーニングを生じさせる光の波長(エネルギー)が異なるので、照射光の波長を変えることにより各量子ドット4aのデータを読み出す。
The plurality of
(第5実施形態)
上記した量子ドットを有する半導体層をバイポーラトランジスタの一部に設けてなる光半導体記憶素子を図9に基づいて説明する。また、その光半導体記憶素子のエネルギーバンドは図10のようになる。
(Fifth embodiment)
An optical semiconductor memory element in which the semiconductor layer having the above quantum dots is provided in part of a bipolar transistor will be described with reference to FIG. The energy band of the optical semiconductor memory element is as shown in FIG.
図9において、GaAs基板12の上には不純物ドーズ量5×1018atoms/cm3 のn+ 型GaAsよりなるコレクタコンタクト層13、不純物ドーズ量5×1017atoms/cm3 のn型GaAsよりなるコレクタ層14、アンドープGaAsよりなる第1のi層15、ドーズ量5×1018atoms/cm3 のp+ 型GaAsよりなるベース層16、アンドープAlAsよりなる第2のi層17、ドーズ量5×1017atoms/cm3 のn型Al0.5Ga0.5Asよりなるエミッタ層18が順に積層されている。
In FIG. 9, a
第2のi層17にはInAsよりなる量子ドット19が形成されている。また、各層の厚さについて、コレクタコンタクト層13が300nm、コレクタ層14が200nm、第1のi層15が300nm、ベース層16が100nm、第2のi層17が100nm、エミッタ層18が200nmとなっている。
このバイポーラトランジスタにおいて、AlAsi層7内の量子ドット19のセパレーションエネルギーEg0は、第1のi層15のバンドギャップEg1よりも広くなる。また、ベース層16に対する第2のi層17によるエネルギーバリアが高くなって正孔がベース層16から量子ドット19に容易に入り込まないようになっている。
In this bipolar transistor, the separation energy Eg 0 of the
なお、図9中符号20Cはコレクタ電極、20Bはベース電極、20Eはエミッタ電極を示している。
In FIG. 9,
次に、このバイポーラトランジスタ内の量子ドットの情報の書込み、読出し方法を以下に説明する。 Next, a method for writing and reading information on the quantum dots in the bipolar transistor will be described below.
(i)書込み方法
情報の書込み時には、エミッタ層18とベース層16の間に逆バイアス電圧を印加すると、そのエネルギーバンドは図11(a) に示すようになって第2のi層17のエネルギーの傾きが大きくなり、量子ドット19のエミッタ層18側のエネルギーバリアBが薄くなる。このため、量子ドット19からエミッタ層18へのトンネルによる電子の移動が容易になり、データ「1」を書込み易くなる。この場合、コレクタ層14とベース層16の間には逆バイアス電圧を印加いないか、或いは順バイアス電圧を印加することにより、第1のi層15での光吸収による電流の発生を抑制するのが好ましい。なお、データ「0」の書込みは、光を照射しないことによりなされる。
(I) Writing Method At the time of writing information, when a reverse bias voltage is applied between the
(ii)読出し方法
情報の読出しの際には、エミッタ層18とベース層16の間にバイアス電圧を印加しない。これにより、量子ドット19のエミッタ層18側のエネルギーバリアBが厚くなるので、読出し用の光の照射によって量子ドット19に電子・正孔対が生じても電子がエミッタ層18側に移動しにくくなって再結合がし易くなり、ホールバーニングは起きない。
(Ii) Reading Method When reading information, a bias voltage is not applied between the
このために、読出し用の光によってデータ「0」が破壊されなくなる。なお、データ「1」は、量子ドット19がホールバーニング状態であることなので、光照射によってデータが破壊されることはない。
For this reason, the data “0” is not destroyed by the reading light. Note that the data “1” is that the
また、情報の読出しの際には、図11(b) に示すように、コレクタ層14とベース層16の間に逆バイアス電圧を印加することが好ましい。これにより、データ「1」が書き込まれている場合には、読出し用の光は量子ドット19を透過して第1のi層15に吸収される。この吸収によって第1のi層15では電子・正孔対が生じるが、電子はコレクタ層14に移動し、正孔はベース層16に移動して光電流が流れる。その光電流によってコレクタ・ベース間の電流量が大きくなる。
In reading information, it is preferable to apply a reverse bias voltage between the
したがって、光吸収量が大きい場合、またはコレクタ・ベース間電流が大きい場合には、データ「1」が書き込まれていることになる。この場合、正孔がベース層16に移動するが、ベース層16とエミッタ層18の間には高い正孔バリアが存在し、しかも正孔はもともとトンネルしにくいので、正孔がベース層16から量子ドット19に移動してデータ「0」がデータ「1」に変えられることはない。
Therefore, when the amount of light absorption is large, or when the collector-base current is large, data “1” is written. In this case, holes move to the
また、データ「0」が書き込まれている場合には、読出し用の光は量子ドット19に吸収されて第1のi層15に到達する光量が減少する。この減少によって第1のi層15に流れる光電流は小さい。
When data “0” is written, the light for reading is absorbed by the
したがって、光吸収量が小さい場合、又はコレクタ・ベース間電流が小さい場合には、データ「0」が書き込まれていることになる。 Therefore, when the amount of light absorption is small, or when the collector-base current is small, data “0” is written.
書き込まれた情報が変化するおそれがあるので、コレクタ−ベース間にはバイアスを印加しないか、または順バイアスを印加して光電流が流れないようにする。 従って、この読出し方法によれば、ベース−コレクタ間に逆バイアスを印加しておけば、光の吸収量の差によってベース−コレクタ間に流れる電流量が異なるので、その電流量の差異によって記憶情報を検知することが可能になる。 Since written information may change, a bias is not applied between the collector and the base, or a forward bias is applied so that no photocurrent flows. Therefore, according to this reading method, if a reverse bias is applied between the base and the collector, the amount of current flowing between the base and the collector varies depending on the difference in the amount of light absorption. Can be detected.
この例によれば、読出しと書込みを独立に行えるので、リフレッシュは不要となる。 According to this example, since reading and writing can be performed independently, refresh is unnecessary.
なお、第1のi層15を省略してもよいが、この場合には、量子ドット19のセパレーションエネルギよりも小さなバンドギャップの半導体材料によりコレクタ層を形成して、光電流を生じさせる。
Although the
また、第1のi層15のバンド間エネルギーが量子ドット19のセパレーションエネルギーよりも大きい場合には、第1又は第2の実施形態で示したと同じようにコレクタ電流の変化や光の吸収率の変化によってデータを読み出す。
Further, when the interband energy of the
さらに、ベース層16とコレクタ層14の間にアバランシェ崩壊を生じさせるような高い電圧を印加しておけば、受光量の変化に対する感度が高くなり、応答速度が速くなる。これにより、光に対して利得を有することになり、S/N比を大きくすることができる。
Furthermore, if a high voltage that causes avalanche collapse is applied between the
本実施形態ではnpnバイポーラトランジスタを利用しているが、pnpバイポーラトランジスタの一部に量子ドットを含むようにしてもよい。 In this embodiment, an npn bipolar transistor is used, but a quantum dot may be included in a part of the pnp bipolar transistor.
(第6実施形態)
次に、pin接合型フォトダイオードの一部に量子ドットを有する層を形成してなる光半導体記憶素子を図12(a),(b) に基づいて説明する。
(Sixth embodiment)
Next, an optical semiconductor memory element in which a layer having quantum dots is formed on a part of a pin junction photodiode will be described with reference to FIGS. 12 (a) and 12 (b).
図12(a),(b) において、GaAsよりなる半絶縁性基板21の上には、膜厚300nmのn型GaAs層22、膜厚100nmのアンドープIn0.1Ga0.9As層23、膜厚200nmのp型AlAs層24が順に形成されている。p型AlAs層24の層中央の10nmの領域領域には、サイズの異なるGaAs又はInGaAsよりなる量子ドット25が複数個形成されている。
12A and 12B, on a
また、p型AlAs層24の上には環状のp側電極26が形成され、また、n型のGaAs層22の上にはn側電極27が形成されている。
An annular p-
なお、n型GaAs層22の不純物濃度は5×1018 atoms/cm3、p型AlAs層24の不純物は5×1018 atoms/cm3である。
The impurity concentration of the n-
このような量子ドット25を有するpinフォトダイオードは、図12(c) に示すようなエネルギーバンド構造になっている。p型AlAs層24内に大きさの異なる複数の量子ドット25が存在するため、電子・正孔対が生成される光の波長は、上記実施形態で既に述べたように量子ドット25のサイズによって変化し、しかも、各量子ドット25は、それぞれのセパレーションエネルギーに対応する波長の光のみを吸収する。
A pin photodiode having such
しかも、光を吸収した量子ドット25では、ホールバーニングが生じて正孔がその中に閉じ込められた状態になるため、再び同じ波長の光が照射される場合には、その光はその量子ドット25を透過する。
Moreover, in the
ここで、アンドープIn0.1Ga0.9As層23は、量子ドット25の材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有しているので、量子ドット25を透過した光がアンドープIn0.1Ga0.9As層23に吸収されると、ここでは一般的なpinフォトダイオードと同様に電子・正孔対が発生し、光電流が流れる。その光は、量子ドット25のセパレーションエネルギーと同じエネルギーを有している。
Here, since the undoped In0.
従って、本実施形態の素子でも、光照射の有無によってデータ「1」又は「0」を書き込むことになる。また、量子ドット25の中の正孔の有無により光電流が異なるので、p側電極26とn側電極27に流れる電流を測定することにより記憶情報を読み出すことが可能になる。
Therefore, also in the element of this embodiment, data “1” or “0” is written depending on the presence or absence of light irradiation. In addition, since the photocurrent varies depending on the presence / absence of holes in the
なお、記憶情報の読出し後には量子ドット25はホールバーニング状態となるので、リフレッシュの必要がある。
Since the
(第7実施形態)
本実施形態では、第6実施形態と異なる位置に量子ドットが形成された光半導体記憶素子を説明する。
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, an optical semiconductor memory element in which quantum dots are formed at positions different from those in the sixth embodiment will be described.
図13において、GaAsよりなる半絶縁性基板31の上には、膜厚300nmのn+ 型GaAs層32、膜厚100nmのアンドープIn0.1Ga0.9As層33、膜厚200nmのp型AlAs層34が順に形成されている。
In FIG. 13, on a
また、p型AlAs層34上で環状のp側電極26に囲まれた領域にはアンドープのAlAs層35が50nmの厚さに形成され、また、そのAlAs層35の中にはサイズの異なるGaAsよりなる量子ドット36が複数個形成されている。
Further, an undoped AlAs
さらに、n+ 型のGaAs層22の上にはn側電極27が形成されている。
Further, an n-
なお、n型GaAs層32の不純物濃度は5×1018atoms/cm3 、p型AlAs層34の不純物は5×1018atoms/cm3 である。
The impurity concentration of the n-
この実施形態でも、第6実施形態と同じような情報の書込み、読出しが行われる。 In this embodiment, information is written and read in the same way as in the sixth embodiment.
(第8実施形態)
情報の書込み、読出しの際に使用する発光素子を第6実施形態の光半導体記憶素子と一体化してもよく、その一例を次に説明する。
(Eighth embodiment)
A light emitting element used for writing and reading information may be integrated with the optical semiconductor memory element of the sixth embodiment, and an example thereof will be described below.
発光素子として例えば面発光型半導体レーザを使用し、その上に第6実施形態のpinフォトダイオードを積層すればよい。そのエネルギーバンド図は図14のようになる。 For example, a surface emitting semiconductor laser may be used as the light emitting element, and the pin photodiode of the sixth embodiment may be stacked thereon. The energy band diagram is as shown in FIG.
GaAs基板(不図示)の上にn型クラッド層41とアンドープ活性層42とp型クラッド層43を順に積層し、また、GaAs基板の下に第1の反射膜(不図示)を形成し、p型クラッド層43の上に第2の反射膜(不図示)を形成し、これにより半導体レーザ39を構成する。また、第2の反射膜の上に光半導体記憶素子40を形成する。
An n-type cladding layer 41, an undoped
クラッド層41,43として例えばIn0.5(Ga1−x Alx )0.5P 層、活性層42として例えばIn0.5(Ga1−y Aly )0.5P 層を用いる(x>y)。 For example, an In0.5 (Ga1-xAlx) 0.5P layer is used as the cladding layers 41 and 43, and an In0.5 (Ga1-yAly) 0.5P layer is used as the active layer 42 (x> y).
p型クラッド層43の上の光半導体記憶素子40は、第6実施形態と同じ層構造を有し、量子ドット25を有するp型AlAs層24と、アンドープIn0.1Ga0.9As層23と、n型GaAs層22から構成されている。
The optical
(第9実施形態)
本実施形態では、npn接合型フォトトランジスタを基本構造として使用する光半導体記憶素子を図15に基づいて例にあげて説明する。
(Ninth embodiment)
In the present embodiment, an optical semiconductor memory element using an npn junction phototransistor as a basic structure will be described as an example with reference to FIG.
図15(a) において、GaAs基板45の上にはn型GaAsコレクタ層46、アンドープのGaAsサブコレクタ層47、p型AlAsベース層48が順に形成され、ベース層48の上には環状のn型GaAsエミッタ層50、エミッタ電極51が形成されている。ベース層48の一部又は全部の領域には、サイズの異なるGaAsよりなる量子ドット49が複数個形成されている。また、コレクタ層46にはコレクタ電極52が接続されている。
In FIG. 15A, an n-type
このような素子において、サブコレクタ層のバンドギャップが量子ドットのバンドギャップよりも小さいので、量子ドットを透過した光がサブコレクタ層に照射されて電子・正孔対が形成され、コレクタ電流が流れる。 In such an element, since the band gap of the subcollector layer is smaller than that of the quantum dot, light transmitted through the quantum dot is irradiated to the subcollector layer to form an electron / hole pair and a collector current flows. .
ところで、1つのGaAs基板45の上にバイポーラトランジスタを併せて形成する場合には、図15(a) の構造の素子を2つ形成し、その一方の素子をベース層48上に図16に示すような金属製のベース電極53を形成すると、ベース電極53によってベース層48が遮光されるので、その素子は通常のバイポーラトランジスタとして機能する。バイポーラトランジスタとしてはマルチエミッタ型のものを用いてもよい。
When forming a bipolar transistor together on one
量子ドット49をベース層48ではなくてエミッタ層50の中に形成してもよい。この場合には、ベース層48をp型GaAsによって形成し、エミッタ層50をn型AlAsによって形成することになる。この場合のエネルギーバンドギャップは図17のようになる。
The
そして、エミッタ層50内の量子ドット49がホールバーニング状態にある時には、読出しのために照射された光がエミッタ層50を通過してベース層48に照射される。ベース層48のエネルギーバンドギャップは、量子ドット49のセパレーションエネルギーよりも小さいので、ベース層48では光照射によって電子・正孔対が生成され、ベース層48内の正孔が過剰になるので、コレクタ電流は変化する。
When the
本実施形態ではフォトトランジスタに量子ドットを設けているので、量子ドットにホールバーニングが生じた場合に、読出用の光によってベース層とコレクタ層の間で生成された電子、正孔は増幅されるので、光電流が大きくなる。 In this embodiment, since quantum dots are provided in the phototransistor, when hole burning occurs in the quantum dots, electrons and holes generated between the base layer and the collector layer by the light for reading are amplified. As a result, the photocurrent increases.
また、ホールバーニングが生じている量子ドットの情報をリセット(初期化)させるためには、量子ドットのセパレーションギャップに等しいエネルギーの光の量を多くしてベース層とコレクタ層の間で発生した電子を量子ドットに供給して再結合させることができる。さらに、量子ドットの両端に大きな電圧を印加して再結合を生じさせ、これにより情報をリセットすることもできる。 In addition, in order to reset (initialize) the information of quantum dots in which hole burning has occurred, the amount of light with an energy equal to the separation gap of the quantum dots is increased to generate electrons generated between the base layer and the collector layer. Can be supplied to the quantum dots and recombined. In addition, a large voltage can be applied across the quantum dots to cause recombination, thereby resetting the information.
なお、フォトダイオードとフォトトランジスタなどの受光素子についても、サイズの異なる量子ドットを多数形成しておけば、それぞれの量子ドットのセパレーションギャップに等しいエネルギーの光を選択して、所望の量子ドットの書込み、読出しが可能になる。即ち、量子ドットのサイズの数だけ記憶セルが存在し、光の波長に対応したアドレッシングが可能になるので、記憶容量を非常に大きくできる。 For light-receiving elements such as photodiodes and phototransistors, if a large number of quantum dots of different sizes are formed, light with energy equal to the separation gap of each quantum dot is selected and writing of the desired quantum dot is performed. , Reading becomes possible. That is, there are as many storage cells as the number of quantum dots, and addressing corresponding to the wavelength of light becomes possible, so that the storage capacity can be greatly increased.
(第10実施形態)
本実施形態では、量子ドットをマルチエミッタ型ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT) に適用して構成される光半導体記憶素子を以下に説明する。
(Tenth embodiment)
In the present embodiment, an optical semiconductor memory element configured by applying quantum dots to a multi-emitter heterojunction bipolar transistor (HBT) will be described below.
図18において、GaAs基板61の上には、膜厚200nmのn+ 型GaAsよりなるコレクタト層62と、膜厚100nmのアンドープGaAsよりなるサブコレクタ層63と、膜厚50nmのp型GaAsよりなるベース層64と、膜厚50nmのn型In0.5Ga0.5P よりなるエミッタ層65が形成されている。エミッタ層の上には膜厚200nmのn+ 型GaAsよりなるエミッタコンタクト層67,68が間隔をおいて複数個(図では2個) 形成され、それらの上にはエミッタ電極69,70が形成されている。また、エミッタ層65の中にはGaAsよりなる量子ドット65がサイズを異にして複数形成されている。
In FIG. 18, on a
コレクタ層62、ベース層64、エミッタ層65、エミッタコンタクト層67,68の不純物濃度は、それぞれ5×1018atoms/cm3 となっている。
The impurity concentration of the
このマルチエミタ型のHBTはベース電極がなく、それぞれのエミッタ電極69,70の電圧が等しい場合にはコレクタ層62に電流が流れず、また、エミッタ層69,70の電圧が異なる場合にはコレクタ層62に電流が流れるという動作をする。なお、エミッタ層69,70に印加する電圧はコレクタ層62よりも高く設定する。
This multi-emitter type HBT does not have a base electrode. When the voltages of the
(第11実施形態)
上記した半導体装置において、サイズの異なる複数の量子ドットの記憶情報を読出したり、量子ドットに情報を書き込んだりする際には、それぞれの量子ドットのセパレーションエネルギーに対応した波長の光を連続的にスキャンして複数の量子ドットに照射してもよいし、波長の異なる光を同時に照射してもよい。 すなわち、量子ドットのセパレーションエネルギーはサイズ、成長温度などに依存するので、各量子ドットに固有の波長の光を照射して情報の書込み、読出しを行うことになる。量子ドットにおいては、固有の波長以外の光によってホールバーニングが生じないので、波長の異なる光を同時に照射したり連続的に照射してもエラーは発生しない。
(Eleventh embodiment)
In the semiconductor device described above, when reading the information stored in multiple quantum dots of different sizes or writing information to the quantum dots, light of a wavelength corresponding to the separation energy of each quantum dot is continuously scanned. Then, a plurality of quantum dots may be irradiated, or light having different wavelengths may be irradiated simultaneously. That is, since the separation energy of the quantum dots depends on the size, growth temperature, etc., information is written and read by irradiating each quantum dot with light having a specific wavelength. In the quantum dot, hole burning does not occur due to light having a wavelength other than the intrinsic wavelength. Therefore, no error occurs even when light of different wavelengths is irradiated simultaneously or continuously.
記憶情報の読出しの際に、波長の異なる光を連続的にスキャンした場合の光吸収飽和特性を図19(a) に示す。図19(a) において、光吸収係数が減少した波長に対応するセパレーションエネルギーを有する量子ドットでは、光照射によってホールバーニングが生じたことになる。ホールバーニングが生じると、量子ドットから抜けた電子によって光電流が大きくなる。 FIG. 19A shows a light absorption saturation characteristic when light of different wavelengths is continuously scanned when reading stored information. In FIG. 19 (a), hole burning is caused by light irradiation in the quantum dots having the separation energy corresponding to the wavelength having a reduced light absorption coefficient. When hole burning occurs, the photocurrent increases due to electrons that have escaped from the quantum dots.
したがって、波長の異なる光を連続的にスキャンすることにより、大容量の情報の書込み、読出しが可能になる。 Therefore, it is possible to write and read a large amount of information by continuously scanning light having different wavelengths.
また、pin接合型フォトダイオードは、図19(b) の分光感度特性に示すように、波長によって受光感度が異なる。このような素子に量子ドットを形成した場合については、予め光吸収係数と波長の関係を測定しておいて読出しの際の光吸収係数の値に基づいて読み出された情報の波長を知ることができる。このことから、リフレッシュが必要な素子については、どの波長に光を再入力したら良いかがわかる。 Further, the pin junction type photodiode has different light receiving sensitivity depending on the wavelength as shown in the spectral sensitivity characteristic of FIG. When quantum dots are formed on such an element, measure the relationship between the light absorption coefficient and the wavelength in advance, and know the wavelength of the read information based on the value of the light absorption coefficient at the time of reading. Can do. From this, it can be seen which wavelength should be re-input to the element that needs to be refreshed.
(第12実施形態)
以上に示した記憶セルを1つの基板上にX軸方向とY軸方向にマトリクス状に多数配列してもよい。記憶セルとしては上記実施形態の光半導体記憶素子が該当する。
(Twelfth embodiment)
A large number of the memory cells described above may be arranged in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction on one substrate. The memory cell corresponds to the optical semiconductor memory element of the above embodiment.
この場合、図20に示すように、X軸方向に第1の電気配線E1 〜E4 を配置し、Y軸方向に第2の電気配線C1 〜C4 を配置し、かつ、それらの電気配線の交差部分近傍で記憶セル72の2つの電極73,74に接続する。それら2つの電極としては、上記した光半導体記憶素子のn側電極とp側電極、或いはエミッタ電極とコレクタ電極がある。
In this case, as shown in FIG. 20, the first electric wirings E1 to E4 are arranged in the X-axis direction, the second electric wirings C1 to C4 are arranged in the Y-axis direction, and the electric wirings intersect. The two
また、それらの記憶セル72の書込みや読出しの際に照射する光hv11〜hv44は、第1及び第二の電気配線E1 〜E4 ,C1 〜C4 上に配置された光配線(不図示)を配置する。光配線としては、例えば画像表示装置で画素に配置される光シャッタがある。波長の異なる光hv11〜hv44を同時に記憶セル72に照射して一括で情報の書込みや読出しを行う場合には、全ての記憶セル72に1つのスポット状の光を照射すればよい。
In addition, the light hv11 to hv44 irradiated when writing or reading the
このような配線によれば、電気配線と光配線を使用しているので、光と電気の信号が干渉せずに効率的な配線が可能になる。 According to such wiring, since electrical wiring and optical wiring are used, efficient wiring is possible without interference of light and electrical signals.
正孔のみが閉じ込められた量子ドットに電子を注入して、量子ドット内で電子と正孔を再結合させると、量子ドットのホールバーニングが消えてデータが「0」にリッセットされるので、全ての量子ドットに一括して電子を注入することにより処理速度が高速化・簡単化する。 When electrons are injected into a quantum dot in which only holes are confined and the electrons and holes are recombined within the quantum dot, the hole burning of the quantum dot disappears and the data is reset to “0”. By injecting electrons into the quantum dots at once, the processing speed is increased and simplified.
量子ドットに電子を注入する方法としては、例えば量子ドットの周囲に存在するp型半導体層とn型半導体層に順バイアス電圧を印加する方法がある。第10実施形態に示すようなマルチエミッタ型のHBTの場合には、複数のエミッタ間に電流を流して量子ドットに電子を供給すると、その量子ドットにはホールバーニングが生じない。 As a method for injecting electrons into the quantum dots, for example, there is a method of applying a forward bias voltage to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer existing around the quantum dots. In the case of a multi-emitter type HBT as shown in the tenth embodiment, when electrons are supplied to a quantum dot by passing a current between a plurality of emitters, hole burning does not occur in the quantum dot.
このように第1の電気配線E1 〜E4 のいずれかと第2の配線C1 〜C4 のいずれかを選択して記憶セル72に電流を流すと、その選択された光半導体記憶素子は書込みが不可能になる。このことは、光半導体記憶素子の選択が可能になることを意味する。
As described above, when any of the first electric wirings E1 to E4 and any of the second wirings C1 to C4 is selected and a current is passed through the
記憶セルを選択して書き込むようにすると、記憶セルを選択するような小さなスポット径の光が不要になり、複数の記憶セル72に一括して光を照射すればよくなる。
If a memory cell is selected and written, light with a small spot diameter for selecting the memory cell becomes unnecessary, and light may be irradiated to a plurality of
(第13実施形態)
本実施形態では、光照射によってデータをリセットする例を示す。
(13th Embodiment)
In this embodiment, an example in which data is reset by light irradiation is shown.
例えば、図21(a) のバイポーラトランジスタ型の記憶セルにおいて、量子ドットを含むベース層のバンドギャップEg01 以上のエネルギーの光hvを照射すると、ベース層の価電子帯への正孔の蓄積が促進され、そのベース層のポテンシャルが下がってベース層に電流が流れる。これにより、ベース層内の複数の量子ドット内に電子が供給されるので、ホールバーニングが解消されて量子ドットのデータは「0」にセットされる。1つのベース層に複数の量子ドットが存在する場合に、その光照射によって全ての量子ドットのデータは「0」になる。 For example, in the bipolar transistor type memory cell of FIG. 21 (a), when light hv having an energy higher than the band gap Eg01 of the base layer including the quantum dots is irradiated, the accumulation of holes in the valence band of the base layer is promoted. As a result, the potential of the base layer decreases and a current flows through the base layer. As a result, electrons are supplied into the plurality of quantum dots in the base layer, so that hole burning is eliminated and the quantum dot data is set to “0”. When a plurality of quantum dots exist in one base layer, the data of all quantum dots becomes “0” by the light irradiation.
また、1つのベース層にサイズの異なる量子ドットが複数個存在する場合に、図21(b) に示すように、最もサイズの大きな量子ドットを選び、その量子ドットのセパレーションエネルギー以上であって且つベース層のエネルギーバンドギャップよりも小さなエネルギーに相当する波長帯域の光をベース層に照射する。これによれば、ベース層内の全ての量子サイズにホールバーニングが生じ、全ての量子ドットのデータは「1」にセットされる。 When a plurality of quantum dots having different sizes exist in one base layer, as shown in FIG. 21 (b), a quantum dot having the largest size is selected and is equal to or higher than the separation energy of the quantum dots and The base layer is irradiated with light in a wavelength band corresponding to energy smaller than the energy band gap of the base layer. According to this, hole burning occurs in all quantum sizes in the base layer, and data of all quantum dots is set to “1”.
ここで、最も大きな量子ドットを選んだのは、この量子ドットの基底準位が他の量子ドットの基底準位よりも小さいからである。 Here, the reason why the largest quantum dot was selected is that the ground level of this quantum dot is smaller than the ground level of other quantum dots.
(第14実施形態)
上記した光半導体記憶素子を構成する複数の量子ドットを多層構造にしてもよい。
(14th Embodiment)
A plurality of quantum dots constituting the above-described optical semiconductor memory element may have a multilayer structure.
例えば、図22に示すように、n型の半導体基板80上の半導体層81内に形成された複数の量子ドット82a〜82eにおいて、量子ドット82a〜82eのうちの面方向のサイズを揃える一方、厚さ方向のサイズを異ならせてもよい。この場合、径の大きさの順に量子ドット82a〜82eを積み上げたり、或いは、径の小さい順に量子ドット82a〜82eを積み上げたり、又は、径の大きさが不規則になるように量子ドット82a〜82eを積み上げるようにしてもよい。
For example, as shown in FIG. 22, in the plurality of
量子ドット82a〜82eのサイズは、図23に示すように成長温度が大きくなるにつれて小さくなり、また、その密度は成長温度が大きくなるにともなって高くなる。これにより、量子ドット82a〜82eを構成する半導体の成長温度を調整することにより図22のような構造が得られる。
As shown in FIG. 23, the size of the
複数の量子ドット82a〜82eのサイズの数を制御することによって1つの半導体層81内のビット数を調整することが可能になる。
By controlling the number of sizes of the plurality of
このように量子ドットの大きさを変える技術については、J. Oshinowo et. al., Appl. Phys. Lett. 65 (11), 12 September 1994, pp.1421-1423 に記載されている。 A technique for changing the size of the quantum dots in this way is described in J. Oshinowo et. Al., Appl. Phys. Lett. 65 (11), 12 September 1994, pp. 1421-1423.
量子ドットの大きさは、量子ドットを構成する半導体の供給量を変えることによっても調整できる。例えば、図1(a) 〜図1(c) に示す工程において、量子ドット4aになるInAs層4の厚さを変えると、図24に示すような関係がある。なお、図24では、InAsの供給量をInAsの厚さで示している。
The size of the quantum dot can also be adjusted by changing the supply amount of the semiconductor constituting the quantum dot. For example, in the process shown in FIGS. 1A to 1C, when the thickness of the
図24によれば、供給量が1.5〜2.3MLまでは、量子ドットのサイズはInAsの供給量を増やすに従って小さくなることがわかる。 According to FIG. 24, it can be seen that the quantum dot size decreases as the supply amount of InAs is increased when the supply amount is 1.5 to 2.3 ML.
このように、膜厚方向に配列された複数の量子ドットの径を異ならせ、しかも、図22に示すように、半導体基板80としてn型GaAs基板を使用し、半導体層81としてAlAs又はAlGaAs層を用い、量子ドット82a〜82eとしてInAs又はInGaAsのドットを使用し、さらに、半導体層81にショットキー接触する電極83を半導体層81上に形成すると、図25に示すようなバンドダイアグラムが得られる。この場合、量子ドット82a〜82eは径の大きい順に積層されている。
In this way, the diameters of the plurality of quantum dots arranged in the film thickness direction are made different from each other, and an n-type GaAs substrate is used as the
この構造の光メモリ素子の情報の書込み、読出し方法は次のようになる。 Information writing and reading methods of the optical memory element having this structure are as follows.
まず、情報を書き込む場合を説明する。 First, a case where information is written will be described.
最上の量子ドット82eに特定波長の光を照射して電子・正孔対を生成させ、その電子をトンネル効果によって量子ドット82eの外部に放出させると、その電子は電極83と半導体基板80の間の電界によって半導体基板80に移動する。ただし、電極83と半導体基板80の間には電圧が印加され、半導体基板80が電極83よりも電圧が高くなっている。
When the uppermost
その電子が半導体基板80に到達する前に、下方の量子ドット82bに既に光が照射されて「1」が書き込まれていると、最上の量子ドット82eから移動した電子は、その下方の量子ドット82b内で再結合して下方の量子ドット82bの情報を「0」に書き換えてしまうといった不都合がある。
When the
従って、多層構造の量子ドット82a〜82eを有する光メモリ素子の場合には、電位の低い側の量子ドットから順に情報を書込むのが好ましい。図22(a) では半導体基板80から最も離れた側から順に情報を書き込むことになる。
Therefore, in the case of an optical memory element having
次に、情報を読み出す場合を説明する。 Next, a case where information is read will be described.
最上の量子ドット82eに情報「0」が書き込まれているとして、その量子ドット82eに特定波長を照射して情報を読みだすと、その量子ドット82eからは電子が外部に放出される。この場合、その電子は、情報「1」が書き込まれた下方の量子ドット82b内で再結合して、その情報を「0」に書き換えるおそれがある。
Assuming that information “0” is written in the uppermost
従って、多層構造の量子ドット82a〜82eを有する光メモリ素子の場合には、電位の高い側の量子ドットの情報から順に読み出すのが好ましい。図22(a) では半導体基板80に最も近い側から順に情報を読みだすことになる。
Therefore, in the case of an optical memory element having the
もっとも、全部の量子ドット82a〜82eの情報を読出した後には、全ての量子ドッット82a〜82eをリセットして、再書込みする必要がある。即ち、ショットキーバリアに順方向に電流を流して電子電流により全ての記憶情報を「0」にリセットする。
However, after reading the information of all the
この実施形態では、半導体層81上にショットキー接触する電極83を形成しているが、その電極83の代わりにp型半導体層を形成してもよい。この場合のリセットは、pn接合の順方向に電流を流して行う。
In this embodiment, the
なお、図26に示すように、n型の半導体基板80と半導体層81の間にGaAsよりなるアンドープ半導体層84を介在させ、アンドープ半導体層84に高電界を印加すると、既に述べたようにアバランシェ崩壊により電子が増幅されて大きな信号をとることが可能になる。
As shown in FIG. 26, when an
なお、光メモリ素子への光は、半導体層81の側方から、或いは透明導電材よりなる電極83を用いて上方から照射される。
Note that light to the optical memory element is irradiated from the side of the
(第15実施形態)
図22に示したような多層構造の量子ドットを有する光メモリの情報の書込み、読出しの際には次のような方法を採用する。
(Fifteenth embodiment)
The following method is employed for writing and reading information in an optical memory having a quantum dot having a multilayer structure as shown in FIG.
情報の書込みは、図27に示すように、各量子ドット82a〜82eの遷移エネルギーに等しいエネルギーhv01〜hv05の複合光を同時に照射してもよいし、図27に示すように、複数のエネルギーhv01〜hv05の光を個々に時系列的に各量子ドット82a 〜82e に照射してもよい。遷移エネルギーと同じエネルギーの光の照射によってのみそれぞれの量子ドット82a〜82eの書き込みができるので、いずれの方法も採用できる。ただし、時系列に光を照射する場合には、第14実施形態で示したように、電位の低い側の量子ドットから順に情報を書込むのが好ましい。
As shown in FIG. 27, the writing of information may be performed by simultaneously irradiating composite light of energy hv01 to hv05 equal to the transition energy of each
なお、hはプランク定数、vは光の振動数である。 Here, h is the Planck constant, and v is the light frequency.
情報の読出しは、半導体基板80に流れる電流の変化量によって情報「0」、「1」を判別するので、図27に示すように複数のエネルギーhv01〜hv05の光を個々に順次時系列的に各量子ドット82a 〜82e に照射することによって行う。ただし、第14実施形態で説明したように、電位の高い側の量子ドットから順に情報を読み出すような光の照射順を決めるのが好ましい。
Information is read out by discriminating information “0” and “1” according to the amount of change in the current flowing through the
この場合、図28に示すように、エネルギーの異なる光パルスを順にを照射すると、光パルスの照射のタイミングに従って半導体基板80と電極83に流れる検出電流が時系列的に変化するので、これにより出力が検出される。
In this case, as shown in FIG. 28, when light pulses having different energies are irradiated in order, the detected current flowing through the
なお、量子ドットにおける伝導帯と価電子帯の基底準位のエネルギー差(遷移エネルギー)Eg01 はhv01は等しく、同じように、Eg02 はhv02、Eg03 はhv053 、Eg04 はhv04、Eg05 はhv015 に等しい。 The energy difference (transition energy) Eg01 between the conduction band and the valence band in the quantum dot is equal to hv01. Similarly, Eg02 is equal to hv02, Eg03 is equal to hv053, Eg04 is equal to hv04, and Eg05 is equal to hv015.
(第16実施形態)
量子ドットが多層となる光メモリ素子において、光照射によって量子ドット内で生成された電子・正孔対のうち正孔のトンネルを防ぐために、図29(a) に示すような構造を採用する。
(Sixteenth embodiment)
In an optical memory element in which quantum dots are multi-layered, a structure as shown in FIG. 29A is adopted in order to prevent hole tunneling among electron / hole pairs generated in the quantum dot by light irradiation.
図29(a) において、図22と同一符号は同一要素を示している。 29A, the same reference numerals as those in FIG. 22 denote the same elements.
この場合、各量子ドット82a〜82eのうち外部印加電界の低い側に、価電子帯Ec のバンドオフセットが高く、伝導帯Ev のバンドオフセットが小さい材料からなる第2のバリア層85を配置する。
In this case, the
例えば、その第2のバリア層85をIn0.5Ga0.5P から構成する場合には、伝導帯のバンドオフセットは0.1eV、価電子帯のバンドオフセットは0.5eVとなる。この場合、半導体基板80としてn型GaAs基板を使用し、第1のバリア層となる半導体層81としてAl0.5Ga0.5As層を用い、量子ドット82a〜82eとしてInAsのドットを用い、さらに、半導体層81にショットキー接触する電極83をタングステンから形成すると、そのバンドダイアグラムは、図29(b) のようになる。
For example, when the
図29(b) からも明らかなように、電子・正孔対生成後に量子ドット82a中に残った正孔は第2のバリア層85によりトンネルが妨げられて溜まるために、他への層に悪影響を及ぼすことはない。しかも、量子ドット85aからの電子のトンネルが妨げられることはないので、光メモリ素子の書込み、読出が容易である。
As is clear from FIG. 29 (b), the holes remaining in the
(その他の実施形態)
以上述べた実施形態における量子ドットとその周囲の半導体層の材料としては、III-V族半導体、II-IV 族半導体、Si、Ge、SiGeなどのいずれであってもよく、上記実施形態の記載に限定されるものではない。
(Other embodiments)
The material of the quantum dots and surrounding semiconductor layers in the embodiments described above may be any of III-V semiconductors, II-IV semiconductors, Si, Ge, SiGe, etc. It is not limited to.
光半導体記憶集積回路を構成するためには、上記した光半導体記憶素子だけでなく、その周辺回路としてスイッチング素子が不可欠である。上記した光半導体記憶素子のうち量子ドットを含む半導体層に光が照射されなければ、スイッチング素子として動作する素子もある。そのような素子をスイッチング素子として機能させる場合には、量子ドットを含む半導体層に遮光膜を形成すればよい。例えば図9に示す素子の半導体層17上の一点鎖線で示す位置に遮光膜を形成してこれを通常のバイポーラトランジスタとして使用してもよい。
In order to configure an optical semiconductor memory integrated circuit, not only the above-described optical semiconductor memory element but also a switching element as its peripheral circuit is indispensable. Among the optical semiconductor memory elements described above, there is an element that operates as a switching element if light is not irradiated to a semiconductor layer including quantum dots. In the case where such an element functions as a switching element, a light-shielding film may be formed in the semiconductor layer including quantum dots. For example, a light shielding film may be formed at a position indicated by a one-dot chain line on the
2 n型GaAs層(半導体層)
3 Al0.5Ga0.5As層(半導体層)
4a 量子ドット
5 p型Al0.5Ga0.5As層(半導体層)
7 金属層
8 n型GaAs層(半導体層)
9 ゲート電極
16 ベース層
17 i層
18 エミッタ層
19 量子ドット
23 In0.1Ga0.9As層
24 p型AlAs層(半導体層)
34 p型AlAs層(半導体層)
36 AlAs層
37 量子ドット
39 半導体レーザ
40 光半導体記憶素子
47 サブコレクタ層
48 ベース層
49 量子ドット
50 エミッタ層
64 ベース層
65 エミッタ層
66 量子ドット
67,68 エミッタコンタクト層
81 半導体層
82a〜82e 量子ドット
85 障壁層
2 n-type GaAs layer (semiconductor layer)
3 Al0.5Ga0.5As layer (semiconductor layer)
4a Quantum dot 5 p-type Al0.5Ga0.5As layer (semiconductor layer)
7 Metal layer 8 n-type GaAs layer (semiconductor layer)
9
34 p-type AlAs layer (semiconductor layer)
36 AlAs
Claims (9)
前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層から流れる電流の変化により前記情報を読み出す光半導体記憶装置の書込み読出し方法であって、
前記半導体層はn型半導体層とp型半導体層の間に形成され、前記書込みの際には該n型半導体層と該p型半導体層に逆バイアス電圧を印加し、前記読出しの際には該n型半導体層と該p型半導体層に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法。 Irradiating light to the quantum dots formed in the semiconductor layer, and irradiating light of a wavelength corresponding to the energy difference between each ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dots, causing hole burning. Write information and
An optical semiconductor memory device writing / reading method for reading the information by a change in current flowing from the semiconductor layer by irradiating the quantum dots with light of the wavelength,
The semiconductor layer is formed between an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer , a reverse bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer at the time of writing, and at the time of reading. A write / read method for an optical semiconductor memory device, wherein a reverse bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層を透過する光量により、前記情報を読み出す光半導体記憶装置の書込み読出し方法であって、
前記半導体層はn型半導体層とp型半導体層の間に形成され、前記書込みの際には該n型半導体層と該p型半導体層に逆バイアス電圧を印加し、前記読出しの際には該n型半導体層と該p型半導体層にバイアス電圧を印加しないか又は順バイアス電圧を印加することを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法。 Irradiating light to the quantum dots formed in the semiconductor layer, and irradiating light of a wavelength corresponding to the energy difference between each ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dots, causing hole burning. Write information and
An optical semiconductor memory device writing / reading method for reading the information by the amount of light passing through the semiconductor layer by irradiating the quantum dots with light of the wavelength,
The semiconductor layer is formed between an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer , a reverse bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer at the time of writing, and at the time of reading. A write / read method for an optical semiconductor memory device, wherein a bias voltage is not applied or a forward bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005082484A JP4854975B2 (en) | 1995-04-28 | 2005-03-22 | Write / read method for optical semiconductor memory device |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10575895 | 1995-04-28 | ||
JP1995105758 | 1995-04-28 | ||
JP2005082484A JP4854975B2 (en) | 1995-04-28 | 2005-03-22 | Write / read method for optical semiconductor memory device |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8030993A Division JPH0917966A (en) | 1995-04-28 | 1996-02-19 | Optical semiconductor storage device, and its write and read method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005244248A JP2005244248A (en) | 2005-09-08 |
JP4854975B2 true JP4854975B2 (en) | 2012-01-18 |
Family
ID=35025573
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005082484A Expired - Fee Related JP4854975B2 (en) | 1995-04-28 | 2005-03-22 | Write / read method for optical semiconductor memory device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4854975B2 (en) |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4103312A (en) * | 1977-06-09 | 1978-07-25 | International Business Machines Corporation | Semiconductor memory devices |
JP2695872B2 (en) * | 1987-11-18 | 1998-01-14 | 株式会社日立製作所 | Semiconductor optical device and recording device using the same |
JP3020529B2 (en) * | 1989-12-29 | 2000-03-15 | 富士通株式会社 | Optically driven quantizer |
JPH0519323A (en) * | 1991-07-15 | 1993-01-29 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical memory array |
JP3033625B2 (en) * | 1991-12-24 | 2000-04-17 | 富士通株式会社 | Quantized Si optical semiconductor device |
JP3455987B2 (en) * | 1993-02-26 | 2003-10-14 | ソニー株式会社 | Quantum box assembly device and information processing method |
US5293050A (en) * | 1993-03-25 | 1994-03-08 | International Business Machines Corporation | Semiconductor quantum dot light emitting/detecting devices |
JP3517897B2 (en) * | 1993-04-16 | 2004-04-12 | ソニー株式会社 | Quantum operation device and method of using the same |
JP3564726B2 (en) * | 1994-04-28 | 2004-09-15 | ソニー株式会社 | Quantum memory and needle electrode used for it |
-
2005
- 2005-03-22 JP JP2005082484A patent/JP4854975B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005244248A (en) | 2005-09-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5936258A (en) | Optical semiconductor memory device and read/write method therefor | |
US6720589B1 (en) | Semiconductor device | |
JP4435748B2 (en) | Infrared detector | |
US5844253A (en) | High speed semiconductor phototransistor | |
US7244997B2 (en) | Magneto-luminescent transducer | |
US5451767A (en) | Optical modulator gate array including multi-quantum well photodetector | |
JPH0654815B2 (en) | Optoelectronics device | |
JPH0728047B2 (en) | Phototransistor | |
US6885023B2 (en) | Optical device and a method of making an optical device | |
KR100463416B1 (en) | Avalanche phototransistor | |
JP2004349542A (en) | Quantum semiconductor device and its formation method | |
CA2000024C (en) | Resonant tunneling semiconductor devices | |
JPH07202247A (en) | Resonance tunnelling photo-electric element and its manufacture | |
KR100276697B1 (en) | Hot Electron Phototransistor | |
US4868612A (en) | Semiconductor device utilizing multiquantum wells | |
JP4854975B2 (en) | Write / read method for optical semiconductor memory device | |
JP5217140B2 (en) | Optical semiconductor device | |
JPH0917966A (en) | Optical semiconductor storage device, and its write and read method | |
US5734174A (en) | Photo hole burning memory | |
JP3737175B2 (en) | Optical memory device | |
JPH0982900A (en) | Optical semiconductor memory device, its information wiring method and reading out method, and optical semiconductor logic circuit device | |
JPH10256594A (en) | Semiconductor photodetector | |
JP2882354B2 (en) | Integrated circuit device with built-in light receiving element | |
JP2644729B2 (en) | Semiconductor laser device | |
JP2001332758A (en) | Semiconductor photo detector and semiconductor optical storage device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090303 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090507 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100601 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100705 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110628 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110913 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20110921 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111025 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111026 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141104 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |