JPH01186684A

JPH01186684A - 半導体光メモリ

Info

Publication number: JPH01186684A
Application number: JP63007173A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kasahara; 健一笠原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1988-01-14
Publication date: 1989-07-26
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH0714078B2

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）本発明は画像処理や光コンピュータ等に必要とされる半
導体光メモリに関する。

（従来技術とその問題点）微少なトリガ光によってレーザ発振をおこし、トリガ光
が無くなった後でも発振し続ける機能を備えた、半導体
光メモリは、これからの光交換や、並列光情報処理シス
テムを構成する際に不可欠なキー・デバイスである。こ
の様な機能を有するデバイスとしては双安定半導体レー
・ザが知られており、昭和６０年通信学会総合全国大会
８８６などに詳細が報告されている。双安定半導体レー
ザの問題点は〜数１００μｍ程度の比較的強い強度のト
リガ光が必要なことであった。双安定半導体レーザをト
リガ光でＯＮさせるには、光をレンズを通してレーザ端
面に照射し、効率良く、非励起状態にある活性層に絞り
込んでやる必要がある。活性層の幅と厚みはそれぞれ約
１μｍ、０゜１μｍと狭く、効率良い光結合は困難であ
った。

そのために結合損失が大きくなり、相対的にトリガ強度
は高い値が必要とされるようになる。

第“９図はジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ）誌、第５９巻、第５９６頁〜第６００頁、１９
８６年に記載されている半導体光メモリの従来例の断面
図である。

この従来例はｐｎｐｎサイリスタ構造となっている。ア
ノード領域９３とカソード領域９５はそれぞれｐ　−Ａ
　Ｉ　ＧａＡｓとｎ　　ＡｌＧａＡｓからなり、これら
が禁制帯幅の狭いｎ−ＧａＡｓで形成されたｎ型ベース
層の４ａを挾む構造となっている。サイリスタがオンし
、高インピーダンス状態から低インピーダンス状態に移
ると、ｎ型ベース層の４ａにキャリアが注入され、この
部分に閉じ込められる結果、自然放出光が生じる。但し
、双安定レーザと違って高い光出力は得られない。

（発明が解決しようとする問題点）従来例に於ける問題点をまとめると以下のようになる。

即ち、双安定半導体レーザでは出力光として誘導放出光
が得られるが、トリガ光の光結合が難しく、結合損失が
大きくなってしまうという問題があった。又、ｐｎｐｎ
サイリスタでは出力光は、自然放出光であるので、双安
定半導体レーザの様に高い光出力が得られないという問
題があった。

（問題点を解決するための手段）前述の問題点を解決するために本発明が提供するｐｎｐ
ｎ構造を有する半導体光メモリは、ベース用ｎ型半導体
は第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体
層を順に積層してなり、アノード用ｐ型半導体およびカ
ソード用ｎ型半導体の禁制帯幅は前記第１及び第３の半
・導体層のいずれの禁制帯幅より大きく、前記第２の半
導体層の禁制帯幅は前記第１及び第２の半導体層の禁制
帯幅より狭いことを特徴とする。

上記記載の半導体光メモリによって、光を前記ベース用
、ｎ型半導体に吸収させることによって、順方向導通状
態、即ち、ＯＮ状態を引き起こし、電子と正孔を前記第
２の半導体層中に緩和させ、その電子と正孔との誘導放
出過程によってレーザ発振を起こさせることが可能とな
る。

（作用）第１図および第２図は本発明の原理を示すバンド図、第
３図は動作図である。

第１図（ａ＞はバイアス電圧がかかっていない状態、同
図（ｂ）は高インピーダンス状態、同図（ｃ）はＯＮ状
態のバンド図である。簡単のためにヘテロ接合でのバン
ド不連続等、本発明の本質に関わりないところは定性的
に近似を施して示した。第１図（ａ）に各層のキャリア
濃度と禁制帯エネルギーを示しである。アノード用ｐ型
半導体、カソード用ｎ型半導体の禁制帯幅はそれぞれＥ
４とＥ、で示されている（図ではＥ４＝Ｅ１）。ベース
用のｎ型半導体層は禁制帯幅Ｅ、がＥ３とＥ、の２つの
半導体から構成されている。

このうちＥ、＝Ｅ、の層がレーザ動作用の活性層となる
。禁制帯幅の大小関係はＥ４　、Ｅｔ　＞Ｅ３＞Ｅ、と
なるようにする。ベース用のｎ型半導体層のキャリア濃
度（ｎｚとｎ、）はある程度、低濃度にしておく。アノ
ードに正、カソードに負の電圧を印加していくと、始め
のうちは電流が殆ど流れない高インピーダンス状態とな
る（第１図（ａ））。ベース用のｎ型半導体層が低濃度
であるので、印加電圧は殆どベース領域のｐ−ｎ接合に
かかり、空乏層はベース用ｎ型半導体層中に伸びていく
。アノード用ρ型半導体中の正孔はベース、アノード間
のｐ−ｎ接合に生じているポテンシャル障壁を越えられ
ず、そのために、電流が殆ど流れない高インピーダンス
状態が生じる。更に印加電圧を増大させていき、第３図
（ａ＞に示したブレークオーバ電圧（Ｖａｏ）を越える
と、急に電流が流れ始め、ＯＮ状態になる（第１図（ｃ
）。この辺の動作メカニズムは通常あサイリスタと同じ
である。ＯＮ状態でこの素子にかかる電圧は、実質的に
１個のｐ−ｎ接合と同じになる。ベース用ｎ型半導体中
に禁制帯幅の狭い半導体層（Ｂ、＝Ｅ、）を設けておく
と、電子と正孔の一部はこのポテンシャルの窪みに落ち
込む。外部に反射鏡を置いておけば、利得が損失を上回
ったところでレーザ発振が得られる。カソード用ｎ型半
導体とアノード用ｐ型半導体の禁制帯幅をベース用ｎ型
半導体のそれよりも大きくしておけば、ＯＮ状態のとき
にアノードに流れ出す電子とカソードに流れ出す正孔の
数を減らすことができ、活性層中にキャリアを緩和させ
やすくなる。

従って発光効率を高めることができる。第３図（ａ＞で
示したＶ−Ｖ、の点に電圧を設定しておき、適当な光量
の光を入射させ、これをベース用ｎ型半導体で吸収させ
る。第３図（ａ）に於いてＶＨはＯＮ状態がぎりぎり保
持される最低の電圧で、保持電圧である。そうすると正
孔がベース用ｎ型半導体に注入されることになる。注入
された正孔はトランジスタ効果でこの層を通過する電子
を増やす。この電子はベース用ｎ型半導体に生じている
ポテンシャルの傾きを緩やかにする。そうするとアノー
ドからベースに注入される正孔が増える。この正のフィ
ードバック効果でこの素子を高インピーダス状態からＯ
Ｎ状態に移行させることができる。即ち、第３図（ｂ）
で示した様に、トリガ光でこの素子をレーザ発振させる
ことができる。■８をＶＢＯに近づける程トリガ感度を
高めることができる。Ｅ、＝Ｅ、の半導体層をわざわざ
設けずに、始めからベース用ｎ型半導体層を一層とし通
常の半導体レーザの活性層厚なみ（二〇。

１μｍ）にして、禁制帯幅を小さくしておけば良いと考
えられるかもしれないが、それは駄目である。何故なら
ば、トリガ光の吸収が０．１μｍ程度の厚さでは小さい
のでトリガ感度が低下してしまうからである９第２図はトリガ感度を高めるために行なった改良素子の
バンド図である。第１図との違いはベース用ｎ型半導体
の層厚を薄くしであることである。この層厚を薄くし、
例えば外部からの印加電圧が零の状態で空乏化する程に
薄くしておく。そうすると、ｎ（カソード）−ｐ（ベー
ス）　−ｎ（ベース）トランジスタの充電流利得が一層
、高まりトリガ感度を高めるために好都合となる。

ジャーナル・オン・アプライド・フィジックス（Ｊ、　
Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　５９　（２＞、ρｐ、　５９
６〜６００．１９８６＞には、第２図の様にｐ型ベース
半導体の層厚を薄くした光サイリスタの報告が成されて
いる。この論文によれば〜数μｍのトリガ光で１００ｍ
Ａ以上の電流をＯＮさせて流すことが可能であり、これ
だけの電流が活性層中に効率よく流れ込めれば充分レー
ザ発振が可能である。

第４図は電気的スイッチとして使われる通常のｐｎｐｎ
サイリスタのベース領域のキャリア濃度や層厚等のパラ
メータを定めるための設計図である。第４図を使えば本
発明でどの様な設計をすれば良いのか概略の指針が得ら
れ、サイリスタの高インピーダンス状態から低インピー
ダンス状態への移行はｎ型ベース領域のパンチ・スルー
電圧Ｖｐ７となだれ降伏電圧ＶＢＨによって決まる。ｎ
型ベース領域が単一半導体層でできている場合、オン電
圧は、パンチ・スルー制御では、階段接合近似を用いる
と、又、なだれ降伏制限ではＶａｏ＝ＶＢ（１ｔｌ　ｔ　　ａ２　）　””　　　　
−−（３１と書き表わせる。（２１−（４１式で、Ｎｏ
はベース層のキャリア濃度、ｄはベース層厚、Ｃ８は誘
電率、αｌ、α２はそれぞれｎｐｎ、ｐｎｐトランジス
タの電流利得、ｎは定数、Ｅ、は禁制帯幅エネルギーで
ある。（４）式ではＥ、、ＮＤの単位はそれぞれｅ　Ｖ
　、　Ｃ１１−’である。第４図はベースがＧａＡｓの
場合に対してオン電圧とキャリア濃度の関係を示したも
のである。本発明ではオン電圧が第５図で示された値よ
り若干、高電圧側にシフトする。

（実施例）実施例１第５図は本発明の一実施例を示す斜視図である。ＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体を用いた０、８μｍ帯用０光
メモリである。ｒｌ−ＧａＡｓ基板４１にバッファ用の
ｎ　−ＧａＡｓ　（厚さｄ＝２μｍ、ｎ＝２Ｘ　１０１
８Ｃｍ−３）をつんだ後、カソード側となるｎ−Ａ１．
）、４Ｇａ、）、６Ａｓ（ｄ＝２μｍ、　ｎ＝５Ｘ　１
０”Ｃｌｍ−３＞　４２、ベース用ｎ型半導体となるｐ
ＡＩ＋）、２５Ｇａｏ、７５Ａｓ（ｄ＝５０人、ｎ　＝
　Ｉ　Ｘ　１０１９Ｃ１ｌ−３＞　４３、ベース用ｎ型
半導体となるアンドープのｎ　−ＡＩｏ、　２５Ｇａｇ
、７５Ａｓ（ｄ＝０．３μｍ、　ｎ＝　Ｉ　Ｘ　１０１
５Ｃ１１−３＞４４、アンドープのｎ−ＧａＡｓ（ｄ＝
０．　１μｍ、　ｎ＝　　Ｉ　　Ｘ　　１　０　　”Ｃ
１１−３＞４５、　ｎ　　　ＡｌＯ，２５Ｇａ０．７５
Ａｓ　　（ｄ＝０．８．ｃｚｍ、ｎ＝ｌＸ１０”ｃｍ−
’）４６を成長させ、更にアノードとなるｐ　−ＡＩＤ
、　４Ｇａ０．６Ａｓ　（ｄ＝１μｍ、　ｎ＝５Ｘ１０
１８Ｃ１１−３）　４７とキャップ層用のｐ−ＧｓＡｓ
（ｄ＝ｏ、２ＪＬｍ、ｎ＝２Ｘ１０１９Ｃ１１−’＞４
８とを成長させる。層４４．４５．４６が第１図（ａ）
のｎ２　、ｎ、　、ｎ２にそれぞれ対応する。

ｎ　−ＧａＡｓ４５が活性層となる。ｐ型ドープはＢｅ
で、又、ｎ型ドープはＳｉで行った。成長は分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）法で行なった。バンド図は第１図と
ほぼ同じである。

層４４．４５．４６が第１図（ａ）のｎ　２　、ｎ　ａ
、ｎ２にそれぞれ対応する。ｎ　−ＧａＡｓ４５が活性
層ｎＡｌ０．２５Ｇａ０．７５＾ｓ４４と４６が主なる
光吸収層となる。層４４と４５を低濃度層としたのはト
リガ光を照射した時に、光吸収層で発生したフォト・キ
ャリアが禁制帯幅の狭い活性層となるｎ　−ＧａＡｓ４
５でトラップされるのを防ぐためである。即ち、層４４
．４５を低濃度化としておくとＯＦＦ状態で適当なバイ
アス電圧をかけておくと層４４．４５を空乏化させてお
くことができる。空乏化していると、層４５、即ち活性
層には電解がかかつているので、フォトキャリアは、こ
こを通り抜ける。そして、電子はｎ−＾ｔｏ、　２５ｃ
ａ０．７５Ａｓ４６にたまり、正孔はｐ−Ａｌ０．２５
ＧａＱ、　７５＾ｓ４３にたまることができるようにな
り、トリガ光でＯＦＦ状態をＯＮ状態とすることができ
るようになる。もし、層４４．４５の濃度を低濃度化し
ておかないと、ブレーク・オーバ電圧は非常に高くなっ
てしまい、非常に使いずらくなる。本実施例ではブレー
ク・オーバ電圧、即ち、ＯＦＦからＯＮ状態に移行する
電圧を約４Ｖにすることができトリガ光感度もｌｐＪに
下げることができた。第５図で示したように幅１．５μ
ｍでエツチング加工を施し、上部をストライプ状にする
。

その両側はポリイミド５１でおおい、活性層とその両脇
との屈折率差を小さくすることによって横モードの制御
をする。ポリイミドコートはパッシベーションの役割も
果たす。へき開で共振面を形成する。共振器長は１００
μｍである。電極４９．５０には＾ｕＺｎ／Ｃｒ／Ａｕ
とＡｕＧｅ−Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｕを用いた。バイアス電圧
を調整することにより、数１０μｍのトリガ光でレーザ
発振を゛起こさせ、数１０ｍＷの出力を得ることができ
た。又、その時の外部微分量子効率は片面で２３％であ
った。第６図に示したように発ｉ波長はλ１８７０μｍ
であり、ＧａＡｓのバンドギャップに対応する誘導放出
光が得られた。また、発振の前後において、ｎ　　Ａｌ
Ｏ，２５ＧａＯ，７５ＡＳ４４．４６のバンドギャップ
に対応する波長での発光は認められず、ＯＮ状態で注入
キャリアがｎ　−ＧａＡｓ４５に有効に閉じ込められて
いることが分かった。

実施例２第７図は本発明の第二実施例を示す斜視図である。Ｉｎ
Ｐ系半導体を用いた１μｍ帯用０光メモリである。ｎ−
１ｎＰ基板７１にカソード側となるｎ−ＩｎＰ　　（厚
さｄ＝２μｍ、　ｎ＝２Ｘ　１０１８Ｃ１１−’＞７２
、ベース用ｐ型半導体となるｐ　−１ｎＧａＡｓＰ（λ
□＝１．３　Ｊｌｍ、　ｄ　＝３０Ａ、　ｎ　＝　２　
Ｘ　１０１８Ｃ１１−３）７３、ベース用ｎ型半導体と
なるアンドープのｎ　　ＩｎＧａＡＳＰ　（＾、＝　１
．３　）ｔ　ｍ　、　ｄ　＝　１０１５Ｃｌｌ−３＞　
７４、アンドープのｎ　　Ｉｎｏ、　５３ｃａ０．４７
Ａｓ　（λ、　＝１．５５μｍ、ｄ＝０．１　）ｔｍ、
ｎ＝　５　Ｘ　１０１５Ｃ１＋−３＞　７５、アンドー
プのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ　　（λ、　＝１．３　μｍ、
ｄ　＝０．３　μｍ、　ｎ　＝　５　Ｘ　１０１５Ｃ１
１−３＞　７６を成長させ、更にアノードとなるｐ−１
ｎＰ（ｄ　＝０．５　μｍ、ｎ　：２　Ｘ　Ｉ　Ｏｌ８
Ｃ１１−’）　７７とキャップ層用のｐ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ　　（λ、　＝１．ＩＪ４ｚｍ、　ｄ＝０．５　μｍ
、　ｎ＝２Ｘ　１０１９Ｃ１１−’）　７Ｂとを成長さ
せる。層７４．７５．７６が第１図（ａ＞のｎ２、ｎａ
　、ｎ２にそれぞれ対応する。ｎ−（ＩＧａＡｓ７５が
活性層となる。

ｐ型、ｎ型のドーパントにはＺｎとＳをそれぞれ用いた
。

第７図で示したように幅１．５μｍでエツチング加工を
施し、上部をストライブ状にする。その両側はポリイミ
ド８１でおおい、活性層とその両脇との屈折率差を小さ
くすることによって横モードの制御をする。ポリイミド
コートはパッシベーションの役割も果たす。へき開で共
振面を形成する。

共振器長は１００μｍである。バイアス電圧を調整する
ことにより、数１０μＷのトリガ光でレーザ発振を起こ
させ、数ｍＷの出力を得ることができた。

実施例３実施例２で説明した第７図と同様の構造の光メモリを半
導体層の厚さとキャリア濃度のみを一部変えて作製した
。すなわち、ベース用ｐ型半導体のｐ　−１ｎＧａＡｓ
７３の厚さは５００Åとし、ベース用ｎ型半導体のｎ　
−１ｎＧａＡｓＰ７４の厚さを０．３μｍとし、ｎ　−
１ｎＧａＡｓＰ７６の厚さは０．８．ｃｚｍ、電子濃度
（ｎ）はＩ　Ｘ　１０１７ｃｔｓ−３として成長させた
。これ以外の条件はすべて実施例２で説明したのと同様
にした。作製した光メモリを数１０μＷのトリガ光でレ
ーザを発振させたところ数ｍＷの出力が得られた。

実施例４第８図は本発明の応用例である。本発明になる半導体光
メモリ８６の外部に４５°ミラー８７をエツチング加工
で形成し、共振面近くに配置しておけば、層厚方向に光
がとり出せる。並列光情報処理への応用で有用である。

実施例においてはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系とＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料を用いて光メモリを作製した例
を示したが本発明は、他の材料例えばＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の両者から構成さ
れるような意図的にミスマツチを導入した混晶系材料や
ＧａＰ系のような可視光材料にも応用できる。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、トリガ光を吸収層に対し
て垂直方向から入射、吸収させる構造となるので、トリ
ガ光感度の高い光メモリが得られ光結合が容易となる。

そして更にその結果−誘導放出を生ぜしむることかでき
るので、高光出力の半導体光メモリが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明原理を示すバンド図、第３図は
動作図、第４図は設計図、第５図は本発明に係わる一実
施例の斜視図、第７図は本発明の第２の実施例の斜視図
、第６図は実施例の光メモリについて発振波長を測定し
たスペクトル図、第８図は応用例、第９図に従来例の断
面図である。４１はｎ　−ＧａＡｓ基板、４２はｎ−＾ＩＯ，４Ｇａ
ｇ、６Ａｓ、４３はｐ−＾１０．２’１Ｇａ０．７５Ａ
ｓ、４４．４６はｎ　　Ａｌｇ、２５Ｇａｏ。７５ＡＳ、４５はｎ　−ＧａＡｓ、　４７はｐ　−ＡＩ
ｏ、　４Ｇａ、）、６Ａｓ、４８はｐ−ＧａＡｓ、４９
．５０．７９．８０は電極、５１．８１はポリイミド、
７１はｎ−１ｎＰ基板、７２はｎ−１ｎＰ、７３．７８
はｐ　−ＩｎＧａＡｓＰ　、７４．７６はｎ　−ＩｎＧ
ａＡｓＰ　、７５はｎ　−１ｎＧａＡｓ、７７はｐ−Ｉ
ｎＰ　、８５は半導体基板、８６は半導体光メモリ、８
７は４５°ミラー、９１は半導体基板、９２はバッファ
層、９３はアノード領域、９５はカソード領域、９６は
キャップ層、９７はカソード電極、９８はアノード電極
、９４ａはｎ型ベース層、９４ｂはｎ型ベース層である
。

Claims

【特許請求の範囲】

　ｐｎｐｎ構造を有する半導体光メモリに於いて、ベー
ス用ｎ型半導体は第１の半導体層、第２の半導体層およ
び第３の半導体層を順に積層してなり、アノード用ｐ型
半導体およびカソード用ｎ、型半導体の禁制帯幅は前記
第１及び第３の半導体層のいずれの禁制帯幅より大きく
、前記第２の半導体層の禁制帯幅は前記第１及び第２の
半導体層の禁制帯幅より狭いことを特徴とする半導体光
メモリ。