JPH02818A - 半導体光学装置及びこれを用いた記録装置 - 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、励起子の吸収飽和現象を利用した半導体光学
装置に係り、特に波長多重記録をする半導体光学装置に
関する。

〔従来の技術〕

励起子の吸収飽和現象を利用したものとして種種の装置
を考えることができるが、その中で光学記録装置として
優れた性能を有することが近年注目を集めている。この
励起子の吸収飽和現象を半導体超格子構造を用いて実現
することによって書き換え可能で、高速かつ高密度の不
揮発性情報記録装置の実現が室温において可能となる。

・吸収飽和現象を利用して記録密度を増加させる方法と
して、米国特許第４，１０１，９７６号に波長次元を用
いた光学データ記録方式が記載されている。

この従来方式は、均一吸収線の飽和を起こし、かつ不拘
−吸収線広がりを示すバルクな材料を含んでいる。光学
記録材料としてポルフィリン、重水素置換ポルフィリン
、フタロシアニン、テトラジン、およびテトラフェニル
ポルフィリンが挙げられている。データビットは狭バン
ド高出力レーザによる選択的吸収飽和を利用して記録さ
れる。すなわち、上記記録は、光化学的ホールバーニン
グ（ＰＨＢ）と呼ばれる現象を利用しており１幅広い不
均一吸収線中の特定の波長部分に、幅が狭い吸収を生じ
させる方法である。この吸収飽和現象は微妙に異なった
環境下に置かれた同一種の基底状態分子を、特定波長の
光照射を行なうことによって、位相およびエネルギー的
に励起状態分子に変換し、その結果、基底状態分子の漂
白現象（ブリーチング）を生じさせることにより達成さ
れる。

したがって、原理的に上記現象は２０に以下程度の極低
温下でのみ動作可能な現象であり、かつ高強度の光照射
によってのみ生じさせることが可能である。そのため、
ビット情報の記録に際しては、例えば１０Ｗ／μ−程度
の高出力レーザ光を、少なくとも１　ｍ５ｅｃ以上の時
間に渡って照射し、記録された情報の書き換えは加熱に
より行なわれるので、完全消去のためには５〜１０分間
の時間を要することが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上で述べた通り、ＰＨＢを利用した光学情報記録にお
いては１本質的に２０に以下、好ましくは絶対零度の極
低温下の現象を用いること、また、情報の書き込みに大
きな光パワーを要するうえ。

加熱により情報の消去・書き込みを行なうので装置が大
型化・複雑化するという問題を有するものであった。

一方、現行の不揮発性メモリの記録密度は、１×１０Ｂ
〜４　Ｘ　１０　’ｂｉｔｓ／　ａｌと比較的小さく、
将来、人工知能等に使用され得る超大型コンピュータを
挙げるまでもなく、現行の大型コンピュータにおいても
、記憶容量について満足できるものではなく、高性能不
揮発性メモリの出現が待望されていた。

本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解決し
、室温付近においても、また低い強度の光照射によって
も高速の記録・再生・消去が可能な超高密度不揮発性情
報記録を実現する光学記録装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は量子井戸超格子構造を有する半導体光学装置に
おける励起子吸収飽和現象を利用することにより、室温
で書き換え可能で、高速かつ高密度の不揮発性情報記録
装置を実現するものである。

本発明の半導体光学装置において、量子井戸超格子構造
は、直接遷移型半導体のみ、あるいは直接遷移型半導体
と間接遷移型半導体により形成され、直接遷移型半導体
の励起子吸収線の吸収波長に共鳴する光を、本発明に係
る半導体光学装置の上記量子井戸超格子構造に照射する
ことにより、情報を高速で記録再生することが可能とな
る０本発明の半導体光学装置は、量子井戸超格子構造を
有するので、その超格子の膜厚、組成を制御することに
より、バルクでは低温でしか発生しない励起子吸収現象
を室温においても生起することが可能となり、室温、低
い強度の光によっても情報の記録、再生が可能となる。

また本発明の半導体光学装置では逆バイアスを印加する
ことにより容易に高速で記憶された情報を消去すること
が可能である。また本発明の半導体光学装置の記憶密度
は。

１０　’　〜ｌ　ＯｌＯｂｉｔｇ／−程度になる。

上記のように本発明の半導体光学装置は、室温で高速、
高密度で記録・再生・消去が可能な記憶装置を実現する
。

また、上記目的は、半導体構造体にある複数の励起子吸
収線により、入射光をそのエネルギーに従って吸収し、
少なくとも上記エネルギーの一部を上記半導体構造体内
の間接遷移を利用して保持することを特徴とする半導体
光学装置により、解決される。

更に、前記間接遷移の緩和時間を小さくすることにより
、前記エネルギーの一部を放出することを特徴とする半
導体光学装置により解決される。

更には、第１の半導体と第２の半導体と第３の半導体と
が積層され、これらの半導体は量子井戸構造を形成し、
かつこれらの半導体のエネルギーバンド構造は伝導帯の
電子に対するエネルギーが階段状であり、かつ価電子帯
の正孔に対するエネルギーおよびバンドギャップが上記
第２の半導体において上記第１および第３の半導体にお
けるよりも小さい一組の量子井戸構造を複数層積層し、
これらの量子井戸構造の上記量子井戸は上記半導体の層
厚を変化させることにより異なる励起子吸収線を有する
ことを特徴とする半導体光学装置により解決される。

〔作用〕

本発明は直接遷移型半導体の励起子生成による光の吸収
を利用する。この励起子生成では、その吸収端に鋭い吸
収ピークが存在する。これは直接遷移型半導体では励起
子バンドの底が運動１零の点にあって、この運動量が零
の励起子が光の照射により生成されるためである。

この様な半導体として、Ｚｎ５ｅ、ＺｎＳ。

ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ。

Ｚｎ５ａｘＳｘ−ｘ　（０＜Ｘ＜１）　ｅ　Ｃｄ　Ｓ　
ｅｘｓｘ−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＧａＡｓ、Ｉ　ｎＰ、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ等の■−■族、ｍ−ｖ族化合物半導体があ
る。

上記励起子による吸収ピーク位置は、量子井戸超格子構
造を形成することによって、任意の波長に設定すること
ができる０例えば、第１図に示すような１０ｎｍのＺｎ
Ｓ層をバリヤ層２として。

任意の膜厚の量子井戸層を光吸収層３とする超格子構造
を形成した場合、量子井戸層の膜厚（ＬＷ）がＺｎｍの
ものと１０ｎｍのものとで、励起子吸収線１は、第１Ａ
図および第１Ｂ図に示す如く、数百ｍｅＶのエネルギー
シフトが起こる。同様に。

３０ｎｍ厚のＧ　ａ　ｏ、ａＡ　Ｑ　０．７Ａ　８をバ
リヤ層として、任意の膜厚のＧａＡｓ層を光吸収層とす
る超格子構造を作成した場合、ＧａＡｓ１ｉｌ厚の減少
に伴って励起子吸収線は高エネルギーヘシフトする。

又、このような吸収ピーク位置の制御は、量子井戸を形
成する化合物半導体若しくは、その化合物半導体を構成
する元素の組成を変化させることによっても成し得るこ
とはもちろんである。

このような量子井戸超格子構造においては、励起子の結
合エネルギーがバルク中のものに比べて増加し、そのた
め、室温下においてもバルク中では不安定であった励起
子が、熱的解離を逃れて安定に存在し、バンド端近傍に
吸収線を示すようになる。このように、量子井戸超格子
構造中では、励起子による吸収線の振動子強度を１０２
〜１０４倍増加できる。このことは、また振動子強度の
総和側からも知られるように１本半導体光学装置にとっ
て好ましくないバンド間の吸収遷移の振動子強度を減少
させるように働く、また例えば第２図に示す、超格子構
造の層厚Ｌｗ　（＝１ｗｘ＋Ｌｗｘ）を２０ｎｍ以下の
値にして励起子結合エネルギーを増大させた場合、振動
子強度を励起子の１３状態への遷移に集中させ得るので
、量子井戸超格子構造を作成することによって、バンド
間遷移に基づく吸収端よりも低エネルギー側に、第１図
に示す如き鋭い単一の吸収遷移からなる励起子吸収線１
を出現させることができる。このようにして出現させた
励起子の吸収波長に共鳴する波長の光を照射した場合、
バルクの例えばＺｎ５ｅやＧａＡｓ等の化合物半導体に
比べて、それらの超格子構造では１桁以上低い入射光強
度で、吸収係数の減少が起こる。上記現象は、超格子構
造中では、いわゆる閉じ込め効果によって自由電子−正
孔による励起子のクーロン相互作用の遮蔽が起こりやす
くなるために生じると解される。

その結果、０．１〜１０ｍＷ／μＭの低い強度の光照射
によっても数１０−１４秒の短時間内に、励起子吸収線
を消失させることができ、これにより波長多重光学情報
記録が可能になる。しかし、このままでは、揮発性記録
であるので、不揮発性記録に関する作用を以下に説明す
る。

第２図に無電界（Ｅ＝Ｏ）の時の、本発明のバンド模型
の一例を示す、縦軸はエネルギー、横軸は場所を示す、
物質Ａ（例えば第１の半導体）と物質Ｂ（例えば第２の
半導体）と物質Ｃ（例えば第３の半導体）とがヘテロ接
合を形成し、物質Ａは電子、正孔に対する電位障壁、物
質Ｂは電子に対する電位障壁、及び物質Ｃは正孔に対す
る電位障壁を形成する。物質Ａ、Ｂ、Ｃは共に近似的に
真性の半導体である。物質Ｂ或はＣの伝導帯に存在する
自由電子は物質Ａの形成する電位障壁のためＡ、Ｂ、及
びＡ、０間のヘテロ接合を通っては動けない、同時に、
物質Ｂの価電子帯に存在する自由正孔は物質Ａ及び物質
Ｃの形成する電位障壁のためヘテロ接合を通っては動け
ない、また物質Ｃの伝導帯の電子は、その占有し得る最
底エネルギーが、物質Ｂ中の最底エネルギーより小さく
、物質Ｂの形成する電位障壁のためヘテロ接合より第２
図中表へは動けない、又、この様なキャリアの移動を制
限する電位障壁は、少なくともＫＴ（約２６ｍｅＶ）の
高さ、好ましくは数ＫＴ、より好ましくは約１０ＫＴ（
約０．２６ｓＶ）以上の高さを有するものである。

物質Ｂの禁制帯幅は、物質Ａ及び物質Ｃの禁制帯幅に較
べて、小さいので、物質Ｂの禁制帯幅近傍のエネルギー
の光によって、先ず物質Ｂ中に励起子が生成される。物
質Ｂの価電子帯から物質Ｃの伝導帯へのヘテロ接合間で
の励起子遷移は、正孔、電子それぞれの波動関数の重な
りがほとんどないので、無視できる。物質Ｂの伝導帯の
電子は、励起子内の電子−正孔間のクーロン相互作用で
促進されて、物質Ｃ中の深い量子井戸の底へ緩和する。

これに要する時間は、原子振動周期約ｌθ″″！δ〜ｌ
　Ｑ”−１２秒以下である。

第５Ａ図は第２図のヘテロ接合に順バイアスを印加した
時のバンド模型を示す、すなわち、物質Ａが物質Ｂ側に
対して負となる極性である。

物質Ａ、物質Ｂ及び物質Ｃとも近似的に真性であり、自
由キャリアの掃き寄せによるバンドの曲がり（空乏層の
形成）は無視できる程度である。

従って電界は一様に生じるものとして図示する。

物質Ｂの伝導帯に電子が生じると、電界の作用により電
子は、物質ＣとＡとのヘテロ接合近傍のポテンシャルの
低い所に集められる。他方正孔は、物質ＢとＡとのヘテ
ロ接合近傍のポテンシャルの低い所に集められる。これ
らの自由キャリアの移動は電界によるドリフトであるの
で十分高速に行なわれる。さらに電界の影響で電子およ
び正孔の波動関数は、十分引き離されるので、遷移確率
を極端に低く抑えることができる。これにより電子−正
孔対の再結合を抑制することにより、第４Ｂ図に示す如
き、ブリーチング状態を数ケ月以上の期間に渡って保持
できるようになる。

次に、・記録情報の消去に関する作用を説明する。

第５Ｂ図は第２図のヘテロ接合に逆バイアスを印加した
時のバンド模型を示す、すなわち物質Ａが物質Ｂに対し
て正になる極性である。第５Ａ図の状態から第５Ｂ図の
状態へ印加電界の極性を逆転させると、電界の作用によ
り電子、正孔とも、物質ＢとＣとの間のヘテロ接合近傍
のポテンシャルの低い所に集められる。さらに、電界の
影響で電子及び正孔の波動関数はヘテロ接合を越えて電
位障壁内に浸み込み、電子と正孔それぞれの波動関数が
重なりを生じる。この為遷移確率が増大するので、電子
−正孔の再結合過程を促進できる。

これにより、情報の高速消去が可能となる。

つぎに、第４図および第５図によって、上記の書き込み
、記録保持、消去の各作用により構成される不揮発性波
長選択光学情報記録の方法を説明する。吸収ピーク波長
が異なり、かつ半値幅が狭い励起子吸収線を発現する。

第２図に示した量子井戸構造を有する超格子層の組をｎ
層積層する。

すなわちｎビットの情報記録層を作成する。このとき、
１ビツトは励起子受収線の有無をＯ，ｌに対応させる二
値論理情報を意味している。この超格子層の組からなる
光吸収部を、記録光に対して透明な絶縁膜ではさむ。さ
らにその両面を透明電極２２ではさみ、該電極間に典型
的にはＯ〜１０８Ｖ　／　ｃｓの順バイアスを印加する
。しかる後、室温下に於いてレーザ光源１７より発する
波長ν！。

シ２．ｖ３のレーザ光により、シ工、シ２．シ８に吸収
帯を有するｌｐ　Ｊ＋　ｋ各超格子層中の励起子の吸収
飽和を起こさせ、情報記録が達成される。記録保持時間
は数カ月以上に及ぶ、しかる後、第４Ｃ図のΔλ＝λ２
−λ五より広い波長幅を持つ、十分弱い強度のプローブ
光を照射し、吸収スペクトルを観測する。＊ｖ１４され
るスペクトルは第４Ｃ図に示すように、吸収飽和波長を
二値論理における１に対応させ、励起子吸収線が存在す
る波長をＯ生が達成される。しかる後、該電極間に約Ｏ
〜１０８Ｖ／３の逆バイアスを印加すると、励起子吸収
線が１回復し、情報の消去が達成される。この様に、例
えば該半導体光学装置において、情報の書き込みは、２
０ｍＷエネルギーで２　ｍ　ｓで完了し、その後、数カ
月以上に渡って、１万回以上の読み出しができる。この
記録密度は最大ＩＱＩＯｂｉｔ８／ａＪ程度である。こ
の値は現行の最大記録密度のものに比べ、３桁高い記録
密度である。又、該プローブ光を用いなくとも情報の読
み出しは可能である。この場合、第５Ｂ図に示す様に、
逆バイアスを印加し、発光線を利用する。該発光線は価
１！帯に設けられた、正孔に対する量子井戸の量子準位
の相違にしたがって、記録情報に１対１に対応する情報
を発光シグナルで示すことになる。

この場合の読み出し回数は印加する逆バイアスの強度に
よって異なり、最大１０回までの読み出しができる。

以上、本発明の半導体光学装置の情報の記録、記憶保持
、再生、消去について量子井戸超格子構造のバンド図に
よりその作用を説明した０次に本発明の半導体光学装置
の他の例を示す、第７図は本発明の半導体光学装置の他
の例を示す概念図である。第７図の半導体光学装置にお
いて物質Ｂは直接遷移型半導体、物質Ｃは間接遷移型半
導体によって構成される。第７図の半導体光学装置にお
いて、情報の記録は上述した本発明の半導体光学装置と
同様に、物質Ｂの禁制帯幅近傍のエネルギーの光による
物質Ｂ中の励起子遷移によっておこなわれる。物質Ｂの
伝導帯の励起された電子は励起子内の電子−正孔間のク
ーロン相互作用で促進されて、物質Ｃ中の深い量子井戸
の底へ緩和する。

物質Ｃは間接遷移型半導体により構成されており間接遷
移型半導体では、電子−正孔の再結合が抑制され、無電
界においても長期間記憶が保持される。第７図の半導体
光学装置においても第５Ｂ図に示すように逆バイアスを
印加することにより記憶されている情報を消去すること
ができる。

上記、超格子構造を形成する手段としては、モレキュラ
ービーム（ＭＢＥ）法、有機金属分子線（ＭＯＭＢＥ）
法、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法、及び、原子層
エピタキシー（ＡＬＥ）法等が知られている。

別々の場所に電子、正孔に対する量子井戸を生じさせる
ヘテロ接合を形成する物質としては、■−■族化合物及
び■−ｖ族化合物が知られている。

例えば物質ＡがＺｎ５ｘＳｅｘ−＊　（０＜ｘ＜１）、
物質ＢがＣｄＴｅ、物質ＣがＣｄＳ、又は物質ＡがＺｎ
５ＸＳ８１−Ｘ　（０＜ｘ＜１）、物質ＢがＧａＡｓ、
物質ＣがＣｄＳ等である。電界強度は所望の作用を果す
ものであればよいが、典型的にはＯ−１０’Ｖ／ａＩｌ
である。

デバイス構造の例を第６Ａ図、第６Ｂ図に示す。

第６Ａ図において基板２４上に透明電極２２と絶縁物質
２３を積層した後、基板２４の逆面上に物質Ａ、Ｂ、Ｃ
からなるヘテロ接合を作り、最後に、再び絶縁物質２３
を介して、透明電極２２′が設けられている。１を極２
２は、所望の光を透過させるためのインジウム−錫酸化
物（ＩＴＯ）や薄膜金等を用いる。また絶縁物質は、物
質Ａ同様、ワイドバンドギャップの■−■族半導体でも
よいし、ＡＱｘＧａｚ−ｘＡｓ　（０＜ｘ＜１）　、Ｃ
ａ　Ｆｚ＋　ＢａＦｚ等の物質乃至はＳ　ｉ　Ｏｘ、　
Ｔ　ａ　ｚＯａなどの物質であってもよい、又、基板は
、物質へ同様、ワイドバンドギャップのＩＩ−ＶＩ族半
導体でもよいし。

ＣａＦｚ、ＢａＦｚ等の物質であってもよい、又各間−
の励起子吸収線を示す吸収層毎に絶縁層と電極ではさん
だ構造の第６Ｂ図に示すデバイス例では、各ビットを構
成する層毎に、独立に電圧を印加し得るので、各ビット
毎の情報の消去・再記録を行なえば、記録情報の修正が
できる。

［実施例］ つぎに本発明の実施例として具体的なデバイスを例とし
て図面とともに詳細に説明する。

実施例１ 第６Ａ図において１片面に透明電極２２と膜厚４００ｎ
ｍのＴａｘｅｓ絶縁層２３とを蒸着したＺｎＳ単結晶基
板（０，５Ｘ１０Ｘ１０ｍａ）２４（７）（１１１）面
上に、ＭＯＣＶＤ　　（有機金属蒸着）法ないしはＭＢ
Ｅ法などによって、膜厚１０ｎｍのＺｎＳ層、膜厚Ｌｗ
ｚのＣｄ　Ｔ　ａ及び膜厚ＬｗｚのＣｄＳを、この順に
くり返し積層して記録層２５を形成した。データビット
数ｎ＝１２とする。まず上記記録Ｍ２５の第１層（ｎ＝
１）では、ＣｄＴｅ光吸収層の厚さＬｗｓ＝＝　１３　
ｎ　ｍとし、ＣｄＳ層の厚さＬｗｚ＝　３　ｎ　ｍとし
て、ＺｎＳ　　（１０層ｍ）−Ｃｄ　Ｔ　ｅ　（１３ｎ
　ｍ　）　−Ｃｄ　Ｓ　（３ｎ　ｍ　）をこの３層の組
合せで２０組積層して、合計５２０ｎｍの膜厚の１デー
タビツトに対応する第１層を形成する。以下、ＺｎＳ層
の膜厚を１０層ｍ、ＣｄＳの膜厚を３　ｎ　ｍ　（＝　
Ｌｗｚ）一定として、第２層〜第１２層を形成した。第
２層目は、ＣｄＴｅ光吸収層の厚さＬｅｔ：１Ｚｎｍと
し、ＺｎＳ　（１０層ｍ）　　ＣｄＴｅ（１Ｚｎｍ）−
ＣｄＳ（３層ｍ）の組合せで、２２組積層して、ＣｄＴ
ｅ光吸収層の膜厚が約２６０ｎｍになるようにして、２
番目のデータビットに対応する第２Ｍを形成する。同様
にＣｄ　Ｔ　ｓ層をｌｎｍずつ減少させて、第２図に示
す超格子構造からなる第３層、第４層、・・・第１２層
を形成する。各層中のＣｄ　Ｔ　ｅ光吸収層の合計膜厚
を約２６０ｎｍとした６したがって、例えば第１２層は
Ｚ　ｎ　Ｓ　（１０ｎ　ｍ　）　−Ｃｄ　Ｔ　ｅ（Ｚｎ
ｍ）−ＣｄＳ　（３層ｍ）が１３０３０層積れた膜厚１
．９５μｍの超格子膜になる。第１２層形成後に、膜厚
１１００ｎのＺｎＳ層を積層した後、Ｔａｘｅ１１絶縁
層２３を膜厚４００ｎｍ積層し、その上に、透明電極２
２′を形成し、電極の両面を、光学情報記８層２５にＯ
〜１ｏ”Ｖ／ａｍの任意の電界を印加でき、かつ順逆両
バイアス切り換え回路を設けた電源４に接続した。この
様にして作製された材料を光学記録素子５として用いる
。

第３図において、１１は記録用レーザ光源でレーザ制御
系１０により制御され、光ビーム制御系１２でビーム制
御し、上記光学記録素子５に照射する。照射光スポット
サイズは約１μｍである。

レーザ光源１１として、複数個のＧ　ａ　Ａ　ｓ　Ｍ　
Ｑ　Ｗ半導体レーザを用いる。該半導体レーザの半値幅
がＱ　、　５　ｍ　ｓ　Ｖ以下、出力５０ｍＷの波長８
０８．２１層ｍ　（１，５３３ｅＶ、νｚ）、８０６．
１Ｚｎｍ（１，５３７ｅＶ、ｖｘ）および８０２．９６
層ｍ（１，５４３ｅＶ、ν８）の３種のレーザ光を同時
に２ｍｓの時間照射して情報記録を行なった。情報記録
後の上記光学記録素子の吸収スペクトルを第４Ｂ図に示
す６次に、７７０ｎｍ　（λ１）〜９２０ｎｍ（λ２）
にわたる幅広いスペクトルからなる。出力１０μＷの記
録読み出し光１３により。

光路制御系１４を介して読み出し、データ読み出し系１
５により出方した結果が第４ｃ図に示す図である。該記
録素子の記録密度は７．２　Ｘ　１０９ｂｉｔｓ／ｃｉ
である。又、データ記録後、２年後に於いてもデータは
保持される。

また、無電界下に於いても動作可能である。その場合の
記録保持時間は、数週間に及ぶ。

実施例２ 第６Ａ図において、片面に透明電極２２と膜厚４００ｎ
ｍのＴａｘｅｓ絶縁層２３とを積層したＺｎ５ｅ単結晶
基板（０，５Ｘ　１０　Ｘ　１０ｍ’）　２４の（１１
１）面上に、ＭＯＣＶＤ法ないしはＭＢＥ法などの周知
の方法によって、膜厚１０ｎｍのＺｎ５ｅ層、膜厚ＬＩ
ＴＩのＧ　ａ　Ａ　ｓ及び膜厚り、ｗｘのＣｄＳを、こ
の順にくり返し積層して記録層２５を形成した。

データビット数ｎ＝１２とする。まず上記記録層２５の
第１層（ｎ＝１）では、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ光吸収層♂厚さ
Ｌｗｔ＝　１３　ｎ　ｍとし、ＣｄＳ層の厚さＬｗｚ＝
３ｎｍとして、ＺｎＳ　（１０層ｍ）−ＧａＡｓ（１３
層ｍ）−ＣｄＳ　（３層ｍ）をこの３層の組合せで５組
積層して、合計１３０ｎｍの膜厚の１データビツトに対
応する第１層を形成する。以下、ＺｎＳ層厚を１０層ｍ
、ＣｄＳ層厚を３層ｍ（Ｌｗｚ）一定として第２〜第１
２層を形成した。

第２層目は、ＧａＡｓ光吸収層厚Ｌｗｌ＝　１２　ｎ　
ｍとして、Ｚ　ｎ　Ｓ　（１０ｎ　ｍ　）　−Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ　（１Ｚｎｍ）　　ＣｄＳ　（３層ｍ）の組合せ
で、６組積層して、ＧａＡｓ層厚が約６５ｎｍになるよ
うにして、２番目のデータビットを記録する第２層を形
成する。同様にＧ　ａ　Ａ　ｓ層をｉｎｎずつ減少させ
て、第２図に示す超格子構造からなる第３層、第４層、
・・・第１２層を形成する１例えば、第１２層はＺｎＳ
　（１０層ｍ）−ＧａＡｓ　（Ｚｎｍ）−ＣｄＳ（３層
ｍ）が３３層積層された膜厚約５６０ｎｍの超格子構造
からなる股になる。第１２層形成後に１１００ｎ厚のＺ
ｎＳ層を積層した後、ＴａｚＯａ絶縁層２３を膜厚４０
０ｎｍ積層し、その上に透明電極２２を形成し、電極両
面を電源４に接続した。これにより、情報記録Ｊ８２１
にＯ〜１０’Ｖ／ａｍ　の任意の、順逆面バイアスの電
界を印加できる。この様にして作製した材料を光学記録
素子５として用いる０次に、複数個の異なる発振波長の
光を発するＧａＡｓ　　ＭＱＷ半導体レーザーを記録用
光源として用いる。該レーザの半値幅０　、５　ｍ　ｅ
　Ｖ以下、出力１０ｍＷの、波長８３７．１６ｎｍ　（
１，４８０ｅＶ、９１）＃８３１．５４ｎｍ（１，４９
０ｅＶ、ν２）の２種のレーザ光を同時に、１ｍｓの間
照射して情報記録を行なった１次に８３０ｎｍ　（λ五
）から８９０ｎｍ（λ２）にわたるブロードなスペクト
ルからなる出力１ｏμＷの読み出し光１３を照射し、情
報の読み出しを行なう、データ記録密度は約１０８ｂｉ
ｔｓ／ｄであり、２年経過した後もなおデータの読み出
しが行なえる。無電界下で動作させた場合も、良好な記
録・再生特性を示す、この場合の記録保持時間は、２週
間である。

実施例３ 第６Ａ図において１片面に透明電極２２と膜厚４００ｎ
ｍのＴａｚＯｒ＋絶縁層２３とを蒸着したＺｎＳ単結晶
基板（０，５Ｘ　１０　Ｘ　１０１Ｉａａ）　２４（７
）（１１１）面上に、ＭＯＣＶＤ　　（有機金属蒸着）
法ないしはＭＢＥ法などによって、膜厚１０ｎｍのＺｎ
Ｓ層、膜厚ＬｗｘのＧ　ａ　Ａ　ｓ及び膜厚ＬｗｚのＧ
ａＰを、この順にくり返し′＆ＩＭして記録層２５を形
成した。データビット数ｎ＝１２とする。まず上記記録
層２５の第１層（ｎ＝１）では、ＧａＡｓ光吸収層の厚
さＬｗ１＝　ｌ　３　ｎ　ｍとし、ＣｄＳ、Ｉ（ｌの厚
さＬｗｚ＝３ｎｍとして、ＺｎＳ　（１０ｎｍ）−Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　（１３ｎ　ｍ　）　−Ｇ　ａ　Ｐ　（３ｎ
　ｍ　）をこの３層の組合せで２０組積層して、合計５
２０ｎｍの膜厚の１データビツトに対応する第１層を形
成する。以ド、Ｚｎ５Ｍの膜厚をＬＯｎｍ、ＧａＰの膜
厚を３層ｍ（＝Ｌｗｚ）一定として、第２層〜第１２層
を形成した。第２層目は、ＧａＡｓ光吸収層の厚さＬｗ
ｚ＝　１２　ｎ　ｍとし、Ｚ　ｎ　Ｓ　（１０ｎｍ）−
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　　（１２ｎ　ｍ　）　−Ｇ　ａ　Ｐ　
（３ｎ　ｍ　）の組合せで、２２組積層して、Ｃｄ　Ｔ
　ｅ光吸収層の膜がか約２６０ｎｍになるようにして、
２番目のデータビットに対応する第２層を形成する。同
様にＧ　ａ　Ａ　ｓ層をｌｎｍずつ減少させて、第２図
に示す超格子構造からなる第３層、第４層、・・・第１
２層を形成する。各層中のＣｄ　Ｔ　ｅ光吸収層の合計
膜厚を約２６０ｎｍとした。したがって、例えば第１２
層はＺｎＳ（１０ｎｍ）　−ＧａＡｓ（２層ｍ）−Ｇａ
Ｐ（３層ｍ）が１３０層積層された膜厚１．９５μｍの
超格子膜になる。第１２層形成後に、膜厚１１００ｎの
ＺｎＳ層を積層した後。

ＴａｚＯ３絶縁層２３を膜厚４００ｎｍ積層し、その上
に、透明電極２２′を形成し、電極の両面を、光学情報
記録層２５に０〜１０６Ｖ／ａｍの任意の電界を印加で
き、かつ順逆面バイアス切り換え回路を設けた電源４に
接続した。この様にして作製された材料を光学記録素子
５として用いる。

第３図において、１１は記録用レーザ光源でレーザ制御
系１０により制御され、光ビーム制御系１２でビーム制
御し、上記光学記録素子５に照射する。照射光スポット
サイズは約１μｍである。

レーザ光源１１として、複数個のＧ　ａ　Ａ　ｓ　Ｍ　
Ｑ　Ｗ半導体レーザを用いる。該半導体レーザの半値幅
が０．５　ｍ　ｅ　Ｖ以下、出力５０ｍＷの波長８６６
．３６ｎｍ（１，４３０θＶ、ｖｌ）、　８６３．９５
ｎｍ（１，４３４ｅＶ、ν２）および８６１．５４ｎｍ
（１，４３８ｅＶ、ヤδ）の３種のレーザ光を同時に２
ｍｓの時間照射して情報記録を行なった。情報記録後の
上記光学記録素子の吸収スペクトルを第４Ｂ図に示す０
次に、８００ｎｍ（λｌ）〜９４０ｎｍ　（λ２）にわ
たる幅広いスペクトルからなる、出力１０μＷの記録読
み出し光１３により、光路制御系１４を介して読み出し
、データ読み出し系１５により出力した結果が第４Ｃ図
に示す図である。該記録素子の記録密度は７．２　Ｘ　
Ｉ　０９ｂｉｔｓ　／−である。

無電界下に於ける記録保持時間は数ケ月に及び、１０’
Ｖ／ｃｍが電界印加下で１年以上に及ぶ。

〔発明の効果〕

本発明の量子井戸構造を有する半導体装置によれば、室
温付近においても、また低い強度の光照射によっても高
速の記録・再生・消去が可能な高密度不揮発生の情報記
録を行うことができる。記録密度は１０６〜１〇五’ｂ
ｉｔｓ／ｃｊ程度を実現可能である。

本発明の半導体光学装置は、情報記録装置として上記の
ように優れた性能を有するが、その他に波長変換素子、
入出カスイツチング素子としても使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１　Ａｒｊｉ！１．第１Ｂ＠は量子井戸構造と励起子
吸収線の一例を示す図。 第２図は、本発明による光学情報記録方法の一実施例を
示す概念図。 第３図は、本発明による光学情報記録方式を示第６Ｂ図
は、本発明の他の実施例を示す素子構造に関する概念図
。 第７図は１本発明による光学情報記録方法の他の実施例
を示す概念図。 １・・・励起子吸収線、４・・・電源、５・・・半導体
構造体。 ６・・・量子井戸層。 トを示す図。 第５Ａ図、第５Ｂ図は、本発明による光学情報記録方法
の一実施例を示す概念図。 第６Ａ図は１本発明の一実施例を示す素子構造に関する
概念図。 第１Ａ図 第１Ｂ区 囁　２　口 算 主浮 第 図 ２θ 苫乙１明ヒＡ− エ和い°−令 ／６広吠収辛 ／７　　Ｌ−１−一光 閉 【 発を屯と叱ヱ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直接遷移型半導体を構成要素として含む量子井戸超
   格子構造を有し、直接遷移型半導体の励起子吸収を利用
   する半導体光学装置。 ２、請求項１の半導体光学装置において、複数の励起子
   吸収帯を有する半導体光学装置。 ３、請求項１の半導体光学装置において、前記量子井戸
   超格子構造は一組の量子井戸超格子構造を積層した多数
   量子井戸超格子構造（ＭＱＷ）からなる半導体光学装置
   。 ４、請求項３の半導体光学装置において、前記量子井戸
   超格子構造は、バンドギャップの異なる第１、第２およ
   び第３の半導体によるヘテロ接合により構成される半導
   体光学装置。 ５、請求項４の半導体光学装置において、前記量子井戸
   超格子構造は伝導帯の電子に対するエネルギーが前記ヘ
   テロ接合の一方の側から他方の側に向かつて前記第１、
   第２および第３の半導体の順に小さくなる階段状のバン
   ド構造を有し、価電子帯の正孔に対するエネルギーが前
   記第２の半導体において最小となり、かつ前記第２の半
   導体のバンドギャップが前記第１および第３の半導体の
   バンドギャップよりも小さい半導体光学装置。 ６、請求項５の半導体光学装置において、第２の半導体
   の励起子吸収現象により記憶の書き込みをおこない、第
   １の半導体が負、第３の半導体が正となる方向に電界を
   印加することにより、記憶を保持する半導体光学装置。 ７、請求項５の半導体光学装置において、第２の半導体
   の励起子吸収現象により記憶の書き込みをおこない、第
   １の半導体が正、第３の半導体が負となる方向に電界を
   印加することにより記憶を消去する半導体光学装置。 ８、請求項４の半導体光学装置において、前記第１、第
   ２および第３の半導体は、この順に積層され、前記第１
   の半導体は電子および正孔に対する電位障壁を、前記第
   ２の半導体は電子に対する電位障壁をおよび前記第３の
   半導体は正札に対する電位障壁を形成する半導体光学装
   置。 ９、請求項８の半導体光学装置において、電位障壁はＫ
   Ｔ（約２６ｍｅＶ）以上である半導体光学装置。 １０、請求項９の半導体光学装置において、電位障壁は
   約５ＫＴ（約０．１３ｅＶ）以上である半導体光学装置
   。 １１、請求項１０の半導体光学装置において、電位障壁
   は約１０ＫＴ（約０．２６ｅＶ）以上である半導体光学
   装置。 １２、請求項１の半導体光学装置において、前記量子井
   戸超格子構造が直接遷移型半導体により構成される半導
   体光学装置。 １３、請求項１の半導体光学装置において、直接遷移型
   半導体のバンドオフセット微細構造内量子井戸に間接遷
   移を起こしうる状態で電子と正孔を閉じ込めることによ
   り、１つの記録状態を形成する半導体光学装置。 １４、請求項１の半導体光学装置において、前記量子井
   戸超格子構造は直接遷移型半導体と間接遷移型半導体に
   より構成される半導体光学装置。 １５、請求項１４の半導体光学装置において、書き込み
   は直接遷移型半導体における励起子吸収により、記録保
   持は間接遷移型半導体においておこなう半導体光学装置
   。 １６、請求項４の半導体光学装置において、第１の半導
   体がＺｎＳ、第２の半導体がＣｄＴｅ、第３の半導体が
   ＣｄＳからなる半導体光学装置。 １７、請求項４の半導体光学装置において、第１の半導
   体がＺｎＳ、第２の半導体がＧａＡｓ、第３の半導体が
   ＣｄＳからなる半導体光学装置。 １８、請求項４の半導体光学装置において、第１の半導
   体がＺｎＳ、第２の半導体がＧａＡｓ、第３の半導体が
   ＧａＰからなる半導体光学装置。 １９、第１の半導体と第２の半導体と第３の半導体とが
   積層され、これらの半導体は量子井戸構造を形成し、か
   つこれらの半導体のエネルギーバンド構造は伝導帯の電
   子に対するエネルギーが階段状であり、かつ価電子帯の
   正孔に対するエネルギーおよびバンドギャップが上記第
   ２の半導体において上記第１および第３の半導体におけ
   るよりも小さい一組の量子井戸構造を複数層積層し、こ
   れらの量子井戸構造の上記量子井戸は上記半導体の層厚
   を変化させることにより異なる励起子吸収線を有するこ
   とを特徴とする半導体光学装置。 ２０、半導体構造体にある複数の励起子吸収線により、
   入射光をそのエネルギーに従つて吸収し、少なくとも上
   記エネルギーの一部を上記半導体構造体内の間接遷移を
   利用して保持することを特徴とする半導体光学装置。 ２１、請求項２０に記載の光学装置において、前記間接
   遷移の緩和時間を小さくすることにより、前記エネルギ
   ーの一部を放出することを特徴とする半導体光学装置。