JPH0917966A - Optical semiconductor storage device, and its write and read method - Google Patents

Optical semiconductor storage device, and its write and read method

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JPH0917966A
JPH0917966A JP8030993A JP3099396A JPH0917966A JP H0917966 A JPH0917966 A JP H0917966A JP 8030993 A JP8030993 A JP 8030993A JP 3099396 A JP3099396 A JP 3099396A JP H0917966 A JPH0917966 A JP H0917966A
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JP
Japan
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layer
quantum dots
semiconductor layer
light
memory device
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Application number
JP8030993A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Imamura
健一 今村
Shunichi Muto
俊一 武藤
Naoto Horiguchi
直人 堀口
Yoshihiro Sugiyama
芳弘 杉山
Yoshiaki Nakada
義昭 中田
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C2216/00Indexing scheme relating to G11C16/00 and subgroups, for features not directly covered by these groups
    • G11C2216/02Structural aspects of erasable programmable read-only memories
    • G11C2216/08Nonvolatile memory wherein data storage is accomplished by storing relatively few electrons in the storage layer, i.e. single electron memory

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To elongate the storage preservation time and put this device to practical use, concerning an optical semiconductor storage device which has quantum dots. SOLUTION: This device includes a first conductive layer 2, a semiconductor layer 3 made on the first conductive layer 2, a quantum dot 4a made within the semiconductor layer 3, and a second conductive layer 5 made on the semiconductor layer and has an electric field applied between itself and the first conductive layer 2.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体記憶装置及び
そ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とこの光半導体記憶装置の情
報の書込み、読出し方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor memory device and a writing / reading method thereof, and more particularly to an optical semiconductor memory device having quantum dots and a method of writing / reading information in / from this optical semiconductor memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】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。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。
2. Description of the Related Art With the rapid progress of information and communication technology, it is desired to construct a system utilizing the characteristics of optical devices and electronic devices. The characteristics of optical devices are high speed and high possibility of parallel processing compared to electronic devices. Various storage devices (memory devices) using optical devices have been proposed so far, but none have been embodied.

【0003】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。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×10
nm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。
Even if the memory cell is constructed from an optical device, it is possible to utilize the optical device and the electronic device with their respective characteristics under the present circumstances where the peripheral theoretical circuit and switching circuit are composed of the electronic device. This is an important issue. The reality is that there is no clear device concept for optical memory. Quantum dots (quantum boxes) have transition energy between ground levels that has an extremely sharp optical absorption spectrum, and if the absorption saturation of light is strong, it is possible to write and read information using 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 of 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, 10 nm x 10
It is possible to store 1 bit in the nm area and 1 terabit in the 1 cm 2 area.

【0004】このような波長多重メモリは、Shunichi M
uto, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.34(1995) pp.L210-L212
において提案されている。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。
Such a wavelength division multiplexing memory is available from Shunichi M
Auto, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34 (1995) pp. L210-L212
Have been proposed in. This wavelength multiplexing memory is composed of an AlAs substrate having a tilted main surface and a III-V group compound semiconductor layer formed thereon. A step is formed in two directions due to the inclination on the main surface of the AlAs substrate, GaAs is formed at the corner of the step, and an AlGaAs layer is formed around it. As a result, the GaAs surrounded by the AlGaAs layer becomes a quantum box.

【0005】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。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。
FIG. 30 is a partial band diagram of one quantum box of this multi-wavelength memory and the layers around it.
become that way. In the band diagram of the quantum box, when light having the same energy as the separation energy between the ground level of the valence band and the conduction band of the conduction band is irradiated, the ground level of the valence band of the quantum box changes to the ground of the conduction band. Electrons transit to the level to generate electron-hole pairs.

【0006】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。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。
Here, since electrons have a high tunnel probability and the X point band energy of AlAs is low, AlGaAs
Tunnel through the barrier and move out of the quantum dot. The movement of electrons is detected as a change in current. On the other hand, since holes are less likely to come out to the outside, only holes are left in the quantum box. In this state, even if light of the same wavelength is irradiated, strong absorption saturation occurs due to the existence of holes, so that light absorption hardly occurs.

【0007】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 utilizing such a phenomenon, information can be written and read by light. Further, if a plurality of quantum boxes having different sizes and shapes are used, the wavelengths for writing and reading are different for each quantum box, so that it is possible to store a large amount of information at multiple wavelengths. Thereby, a multi-wavelength memory is obtained.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】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1〜10
ms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ていない。
However, in such a multi-wavelength memory, the retention time is 1 to 10 because the electrons emitted from the quantum box have a high probability of returning to the quantum box and recombining.
It is as short as ms. Further, it is necessary to detect whether or not absorption saturation is present by absorption of light, and a specific structure therefor is not shown.

【0009】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及びその書込み読出し
方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a practical optical semiconductor memory device and a writing / reading method thereof, which can further lengthen the record holding time.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図1
(c) 、図8、図9、図12、図22などに例示するよう
に、第1の導電層2と、前記第1の導電層2の上に形成
された半導体層3(17、24、81)と、前記半導体
層3(17、24、81)内に形成された量子ドット4
a(19、25、82a〜82d)と、前記半導体層3
(17、24、81)の上に形成され、前記第1の導電
層2との間に電界が印加される第2の導電層5とを有す
ることを特徴とする光半導体記憶装置によって解決す
る。
[Means for Solving the Problems]
(c), as illustrated in FIG. 8, FIG. 9, FIG. 12, FIG. 22, etc., the first conductive layer 2 and the semiconductor layer 3 (17, 24) formed on the first conductive layer 2. , 81) and the quantum dots 4 formed in the semiconductor layer 3 (17, 24, 81).
a (19, 25, 82a to 82d) and the semiconductor layer 3
And a second conductive layer 5 formed on (17, 24, 81) and to which an electric field is applied between the first conductive layer 2 and the first conductive layer 2. .

【0011】上記した課題は、図1(c) 、図8、図9、
図12、図22などに例示するように、第1導電型不純
物を含有する第1の半導体層2と、前記第1の半導体層
2上に形成されたキャリア障壁半導体層3(17、2
4、81)と、前記キャリア障壁半導体層4a(19、
25、82a〜82d)内に形成された量子ドットとを
有することを特徴とする光半導体記憶装置によって解決
する。
The above-mentioned problems are as shown in FIG. 1 (c), FIG. 8, FIG.
As illustrated in FIGS. 12 and 22, the first semiconductor layer 2 containing the first conductivity type impurity and the carrier barrier semiconductor layer 3 (17, 2) formed on the first semiconductor layer 2.
4, 81) and the carrier barrier semiconductor layer 4a (19,
25, 82a to 82d) and a quantum dot formed in the optical semiconductor memory device.

【0012】前記光半導体記憶装置において、前記量子
ドット4aは、大きさを異ならせて複数個存在すること
を特徴とする。前記光半導体記憶装置において、前記キ
ャリア障壁半導体層3(24)は、アンドープ半導体又
は第2導電型不純物含有半導体から形成されることを特
徴とする。
In the optical semiconductor memory device, the quantum dots 4a are present in a plurality of different sizes. In the optical semiconductor memory device, the carrier barrier semiconductor layer 3 (24) is formed of an undoped semiconductor or a second conductivity type impurity-containing semiconductor.

【0013】前記光半導体記憶装置において、図1又は
図7、8に例示するように、前記キャリア障壁半導体層
3上には、前記キャリア障壁半導体層3にショットキー
接触する金属層9又は第2導電型不純物を含有する第2
の半導体層5のいずれかが形成されていることを特徴と
する。前記光半導体記憶装置において、図3に例示する
ように、前記量子ドット4aの伝導帯又は価電子帯の量
子準位と前記第1の半導体層8の伝導帯又は価電子帯と
がエネルギー的に分離されていることを特徴とする。
In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 1 or FIGS. 7 and 8, a metal layer 9 or a second layer which is in Schottky contact with the carrier barrier semiconductor layer 3 is formed on the carrier barrier semiconductor layer 3. Second containing conductive impurities
One of the semiconductor layers 5 is formed. In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 3, the quantum level of the conduction band or valence band of the quantum dot 4a and the conduction band or valence band of the first semiconductor layer 8 are energetically It is characterized by being separated.

【0014】前記光半導体記憶装置において、図12に
例示するように、前記第1の半導体層22と前記キャリ
ア障壁半導体層24の間にはアンドープの第3の半導体
層23が形成されていることを特徴とする。前記光半導
体記憶装置において、図8に例示するように、前記量子
ドット4aを有する前記キャリア障壁半導体層3は、電
界効果トランジスタのチャネル層8の上に形成されてい
ることを特徴とする。
In the optical semiconductor memory device, as shown in FIG. 12, an undoped third semiconductor layer 23 is formed between the first semiconductor layer 22 and the carrier barrier semiconductor layer 24. Is characterized by. In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 8, the carrier barrier semiconductor layer 3 having the quantum dots 4a is formed on a channel layer 8 of a field effect transistor.

【0015】前記光半導体記憶装置において、図9に例
示するように、前記量子ドット19を有する前記キャリ
ア障壁半導体層17は、バイポーラトランジスタのエミ
ッタ層又はベース層を構成していることを特徴とする。
前記バイポーラトランジスタのコレクタ層の一部又は全
部のエネルギーバンドギャップは、前記量子ドットの伝
導帯と価電子帯の基底準位間のエネルギー差よりも小さ
いことを特徴とする。
In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 9, the carrier barrier semiconductor layer 17 having the quantum dots 19 constitutes an emitter layer or a base layer of a bipolar transistor. .
The energy band gap of a part or the whole of the collector layer of the bipolar transistor is smaller than the energy difference between the ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dot.

【0016】前記バイポーラトランジスタのコレクタ層
と前記ベース層の間にはアンドープ半導体層が形成さ
れ、該アンドープ半導体層のエネルギーバンドギャップ
は、前記量子ドットの伝導帯と価電子帯の基底準位間の
エネルギー差よりも小さいことを特徴とする。前記バイ
ポーラトランジスタのエミッタ層には複数のエミッタ電
極が形成され、コレクタ層にはコレクタ電極が形成され
ていることを特徴とする。
An undoped semiconductor layer is formed between the collector layer and the base layer of the bipolar transistor, and the energy band gap of the undoped semiconductor layer is between the conduction level and the valence band ground level of the quantum dot. It is characterized by being smaller than the energy difference. A plurality of emitter electrodes are formed on the emitter layer of the bipolar transistor, and a collector electrode is formed on the collector layer.

【0017】前記光半導体記憶装置において、図12に
例示するように、前記量子ドット25を有する前記キャ
リア障壁半導体層24は、pin接合型フォトダイオー
ドのi層を構成していることを特徴とする。前記光半導
体記憶装置において、図14に例示するように、前記量
子ドット25を含む前記キャリア障壁半導体層24は、
発光素子39の上に形成されていることを特徴とする。
In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 12, the carrier barrier semiconductor layer 24 having the quantum dots 25 constitutes an i layer of a pin junction type photodiode. . In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 14, the carrier barrier semiconductor layer 24 including the quantum dots 25 is
It is characterized in that it is formed on the light emitting element 39.

【0018】前記光半導体記憶装置において、図22に
例示するように、前記量子ドット82a〜82eは、前
記キャリア障壁半導体層81の厚さ方向に複数個存在す
ることを特徴とする。この場合、複数の前記量子ドット
82a〜82eは、膜厚方向に径が異なることを特徴と
する。また、前記量子ドット82a〜82eのうちの前
記キャリアの移動方向と反対側には、ホールバーニング
状態の前記量子ドット82a〜82e内に溜まる正孔又
は電子の移動を妨げる障壁層85が形成されていること
を特徴とする。
In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 22, a plurality of quantum dots 82a to 82e are present in the thickness direction of the carrier barrier semiconductor layer 81. In this case, the plurality of quantum dots 82a to 82e are characterized by different diameters in the film thickness direction. In addition, a barrier layer 85 that prevents movement of holes or electrons accumulated in the quantum dots 82a to 82e in the hole burning state is formed on a side of the quantum dots 82a to 82e opposite to the moving direction of the carriers. It is characterized by being

【0019】前記光半導体記憶装置において、図9に例
示するように、前記キャリア障壁半導体層17は複数の
能動素子の一部に形成され、幾つかの該能動素子の前記
キャリア障壁半導体層17は遮光膜で覆われていること
を特徴とする。また、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。
In the optical semiconductor memory device, as illustrated in FIG. 9, the carrier barrier semiconductor layer 17 is formed in a part of a plurality of active elements, and the carrier barrier semiconductor layers 17 of some of the active elements are formed. It is characterized by being covered with a light shielding film. In addition, the above-mentioned problem is to irradiate the quantum dots formed in the semiconductor layer with light, and to irradiate with 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. Method for writing information by causing hole burning to write information, and reading the information by irradiating the quantum dots with light of the wavelength and changing the current flowing from the semiconductor layer. Solve by.

【0020】または、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
読出し方法により解決する。
Alternatively, the above-mentioned problem is that a quantum dot formed in a semiconductor layer is irradiated with light, and light having a wavelength corresponding to an energy difference between each ground level of a conduction band and a valence band of the quantum dot is irradiated. Of the optical semiconductor memory device characterized in that the information is read by irradiating the quantum dots to write information and irradiating the quantum dots with light of the wavelength and transmitting the light through the semiconductor layer. The problem is solved by the writing / reading method.

【0021】光半導体記憶装置の書込み読出し方法にお
いて、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。
In the writing / reading method of the optical semiconductor memory device, the semiconductor layer is formed between an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are formed during the writing.
A reverse bias voltage is applied to the type semiconductor layer, and no bias voltage or a forward bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer at the time of reading.

【0022】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前記半導体層は、バイポ
ーラトランジスタのエミッタ又はベースを構成し、前記
情報を読み出す際には、前記バイポーラトランジスタの
前記ベースとコレクタの間には光照射によりアバランシ
ェ崩壊を起こす大きさの電圧が印加されていることを特
徴とする。
In the writing / reading method of the optical semiconductor memory device, the semiconductor layer having the quantum dots constitutes an emitter or a base of a bipolar transistor, and when reading the information, the semiconductor layer having the quantum dots is used as a base and a collector of the bipolar transistor. It is characterized in that a voltage of a magnitude that causes avalanche collapse by light irradiation is applied between them.

【0023】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前記半導体層は、バイポ
ーラトランジスタのエミッタ又はベースを構成し、光半
導体記憶装置の書込み読出し方法において、 前記情報
の書込み時には、前記バイポーラトランジスタの前記エ
ミッタと前記ベース間に逆バイアスを印加し、前記ベー
スとコレクタの間にはバイアス電圧を印加せず、前記情
報の読出し時には、前記エミッタと前記ベースの間には
バイアス電圧を印加せず、前記ベースと前記コレクタの
間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
In the method of writing and reading in an optical semiconductor memory device, the semiconductor layer having the quantum dots constitutes an emitter or a base of a bipolar transistor, and in the method of writing and reading in an optical semiconductor memory device, when writing the information, A reverse bias is applied between the emitter and the base of the bipolar transistor, a bias voltage is not applied between the base and the collector, and a bias voltage is applied between the emitter and the base when reading the information. Instead, a reverse bias voltage is applied between the base and the collector.

【0024】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。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
トを有する前記半導体層は受光素子の一部を構成し、前
記情報の読出しの際には該受光素子の光照射波長による
分光感度特性の差異の変化により複数の前記量子ドット
の前記情報を読み出すことを特徴とする。
In the writing / reading method of the optical semiconductor memory device, a plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels are provided, and when reading the information, a plurality of wavelengths corresponding to the energy differences are included. It is characterized in that light is continuously changed to irradiate the quantum dots. In the writing / reading method of an optical semiconductor memory device, the semiconductor layer having the quantum dots constitutes a part of a light receiving element, and when reading the information, there is a difference in spectral sensitivity characteristics due to a light irradiation wavelength of the light receiving element. It is characterized in that the information of the plurality of quantum dots is read out by a change.

【0025】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 the writing / reading method of the optical semiconductor memory device, a plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels are provided, and when writing the information and reading the information, the energy difference is generated. It is characterized in that light of a plurality of corresponding wavelengths is simultaneously irradiated. 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 information is written in the quantum dots according to the order of the direction in which carriers are moved by light irradiation. It is characterized by Further, the plurality of quantum dots having different energy levels 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 moving direction of carriers by light irradiation. The information is read out.

【0026】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。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。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。
In the writing / reading 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. 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. Alternatively, a plurality of quantum dots are present 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 is solved by a writing / reading method for an optical semiconductor memory device, characterized in that the quantum dots are irradiated with the light that they have to bring all of the quantum dots into a hole burning state.

【0027】[0027]

【作 用】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。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。
[Operation] According to the present invention, a semiconductor layer having a quantum dot is sandwiched between first and second conductive films, and an electric field is generated between the conductive films, so that electrons emitted from the quantum dot are quantum-quantized by hole burning. It's hard to return to dots. Further, according to another aspect of the present invention, since the carrier barrier semiconductor layer having the quantum dots inside is formed on the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer to form the wavelength multiplex memory, the hole multiplexing is performed by light irradiation. When the burning occurs, the electrons emitted from the quantum dots have a high probability of flowing out to the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer, and the probability of carriers flowing into the quantum dots to cause recombination becomes low.

【0028】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。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。
Information is written by irradiating the quantum dots with light to cause hole burning or by not irradiating light to cause hole burning. For example, the data is set to "1" when the hole burning is generated, and the data is set to "0" when the hole burning is not generated. The information written in this way is read by irradiating light of the same wavelength, and “1” and “0” are changed depending on the change of the current flowing in the semiconductor layer and the change of the absorption amount of the light by the light irradiation. to decide.

【0029】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。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 data “0” is written in the quantum dots, electron-hole pairs are generated in the quantum dots by the reading light, so that light is absorbed in the quantum dots and electrons are emitted to the outside. It flows. As a result, it is determined that the data “0” has been written. 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 are set by making the above-mentioned first conductivity type impurity semiconductor layer an n-type semiconductor layer. As a result, the electrons are difficult to return to the quantum dots due to the diffusion potential.

【0030】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。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。
When data "1" is written in the quantum dot, electron-hole pairs are not generated in the quantum dot due to the reading light, so that the quantum dot absorbs light or moves the electron to the outside. There is no such thing. As a result, it is determined that the data “1” has been written. The light used for writing and reading information is limited to the wavelength corresponding to the energy difference between the ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dot. Therefore, since the wavelength of light used for writing and reading differs depending on the size of the quantum dots, the number of bits of the storage element is determined by the number of different sizes of the quantum dots.

【0031】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。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。
Information is initialized by injecting electrons into the quantum dots, for example, by applying an electric field or irradiating light to the semiconductor layer around the quantum dots. In order not to destroy the information, a bias voltage is applied to the impurity-containing semiconductor layer around the quantum dot so that the energy barrier around the quantum dot becomes thick when the information is stored or read.

【0032】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 containing quantum dots is used as a part of an active element such as a photodiode, a bipolar transistor or a field effect transistor, an optical semiconductor memory element is constituted by this. By adopting an active element in the basic structure, it becomes possible to amplify the current flowing at the time of reading information or to convert the amount of light into an electric signal, which facilitates reading of information.

【0033】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 a plurality of quantum dots are formed in the film thickness direction and the sizes thereof are different, the light energy is changed with time to write information, or a plurality of light energies having different sizes are mixed. Either write information at the same time. When the quantum dots are irradiated with light by changing the energy, it is desirable to write in the order arranged in the carrier movement direction in order to prevent the destruction of the information of the already written quantum dots.

【0034】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。
When a plurality of quantum dots are formed in the film thickness direction and the sizes thereof are different, it is preferable to change the light energy with time and read the information. However, in order to prevent the destruction of the information of the quantum dots which has not been read yet, it is desirable to write in the order arranged in the direction opposite to the carrier movement direction.

【0035】[0035]

【実施形態】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。 (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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) A manufacturing process of an optical semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (c).
The III-V semiconductors described below are grown using, for example, an MBE apparatus.

【0036】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Al
0.5Ga0.5As層3を25nmの厚さに形成する。続いて、Al
0.5Ga0.5As層3の上にInAs層4を数原子層 (atomic lay
er、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、Al
0.5Ga0.5As層3とInAs層4の格子定数の違いが原因でIn
As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4
aは複数個存在する。
First, the main surface was slightly inclined from the (111) plane.
An n-type GaAs substrate 1 whose main surface is the surface is prepared. And
As shown in FIG. 1 (a), the impurity concentration on the main surface of the GaAs substrate 1 is increased.
Degree 1 × 1018atoms / cmThreeN-type GaAs layer 2 of 50 nm thick
And undoped Al on the n-type GaAs layer 2.
0.5Ga0.5The As layer 3 is formed to a thickness of 25 nm. Then, Al
0.5Ga0.5InAs layer 4 on As layer 3
er, hereinafter referred to as ML). Next, FIG.
As shown in (b), again undoped Al0.5Ga0.5As layer 3
To a thickness of 25 nm so that the InAs layer 4 is included therein.
You. Second Al0. FiveGa0.5After forming As layer 3, Al
0.5Ga0.5In due to the difference in the lattice constants of As layer 3 and InAs layer 4,
The As layer 4 changes into a droplet shape. That is,
The roplet-shaped InAs layer 4 is a quantum dot (quantum box) 4a.
become. As the growth temperature of the quantum dots 4a increases,
Diameter becomes large, for example, at 450 ℃, average size
Is about 15 nm. Quantum todd 4 of the same size
There are a plurality of a's.

【0037】(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 quantum dots 4a are formed on a surface inclined by a few degrees from the (111) plane, the InAs that becomes the quantum dots 4a.
By adjusting the growth conditions of the layer 4, as shown in FIG. 2, there are a plurality of quantum dots 4a having different sizes for each step of the crystals which are inclined. Basically, the quantum dots 4a
If the size and shape of the quantum dots are different, the potential well widths of the quantum dots 4a are different, and thus the energy of light (wavelength) for generating electron-hole pairs by light absorption in the quantum dots 4a.
Is different.

【0038】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。
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, Physic
al 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。
Thereafter, as shown in FIG. 1C, the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer 4 is formed on the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3.
To a thickness of 200 nm. This p-type Al 0.5 Ga 0.5 As
The impurity concentration of the layer 5 is 1 × 10 18 atoms / cm 3 . this
The Al 0.5 Ga 0.5 As layer 5 serves as a carrier barrier layer.
Regarding the formation of quantum dots, JY Marchin et
al., Photoluminesence of Single InAs Quantum Dots
Obtained by Self-Organized Growth on GaAs, Physic
al Review Letters Vol.73, No. 5. 1994, pp.716-719
The dot size and shape depend on the growth temperature, In
It can be controlled by the molar ratio of As and As.

【0039】そして、図1(d) に示すように、n型のGa
As基板1の底面にn側電極1aを形成し、p型のAl0.5G
a0.5As層5の上にp側電極5aを形成する。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。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。
Then, as shown in FIG. 1 (d), n-type Ga
An n-side electrode 1a is formed on the bottom surface of the As substrate 1 and p-type Al 0.5 G
A p-side electrode 5a is formed on the a 0.5 As layer 5. This completes the basic structure of an optical semiconductor memory device called a wavelength division multiplexing memory. The energy band of one quantum dot 4a and the semiconductor layer around it is shown in FIG. 3 (a).

【0040】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 quantum dots 4a are irradiated with light, electrons transit from the valence band (Ev) to the conduction band (Ec) to generate electron-hole pairs, as shown in FIG. 3 (b). It The energy (wavelength) hv of the light is the energy between the ground level of the valence band and the ground level of the conduction band (hereinafter,
It is the same as the separation energy). Irradiation with light having an energy different from the separation energy does not generate electron-hole pairs. Light that has contributed to the generation of electron-hole pairs is absorbed and does not pass through the quantum dots 4a.

【0041】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、Al0.5Ga
0.5As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 n-type GaAs layer 2 and the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer 5 are shown.
Since the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 is tilted by the diffusion potential between the two, the energy barrier of the Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 to the quantum dots 4a becomes thin. As a result, the electrons transitioned to the ground level of the conduction band of the quantum dot 4a are Al 0.5 Ga
The 0.5 As layer 3 is tunneled and moved to the n-type GaAs layer 2.

【0042】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-type GaAs layer 2 is undoped.
It is spatially separated from the conduction band of the quantum dot 4a via the Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3. The band gap of the n-type GaAs layer 2 is smaller than the band gap of the Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3, and the energy difference between them is large. This means that the quantum level of the conduction band of the quantum dot 4a and the GaAs layer 2 are energetically separated.

【0043】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。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0.6e
Vとすると、量子ドット4a内での正孔の保持時間は1
000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。
Therefore, the probability of the electrons reaching the n-type GaAs layer 2 returning to the quantum dots 4a through the Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3, that is, the recombination probability becomes extremely small. For example, n
Energy difference between the conduction band or Fermi level E F of the GaAs type GaAs layer 2 and the ground level of the conduction band of the quantum dot 4a is about 0.6e.
If V is set, the retention time of holes in the quantum dots 4a is 1
It is more than 000 hours, which is longer than before, and operation at room temperature becomes possible.

【0044】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。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。
As a result, as shown in FIG. 3 (c), holes are confined in the ground level of the valence band of the quantum dot 4a. As described above, a phenomenon in which an electron transiting to the ground level of the conduction band of the quantum dot 4a moves through the energy barrier to the outside and only holes are left in the valence band of the quantum dot 4a is generally referred to as a hole. It's called burning.

【0045】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。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。
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。
Next, writing and reading of information in the optical semiconductor memory device having the above structure will be described. Light used for writing and reading is emitted from the optical fiber F.
First, when writing data “0”, the state of the energy band as shown in FIG. 3A is set without irradiating light.

【0046】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。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。
On the other hand, when writing data "1", the quantum dot 4a is irradiated with light having an energy corresponding to the separation energy of the quantum dot 4a. This causes hole burning in the quantum dots 4a, as shown in FIG. 3 (c). As a result, the data "1"
Has been written. The probability that the electrons moved to the conduction band of the n-type GaAs layer 2 by writing the data "1" return to the quantum dots 4a spatially and energy separated and recombine there is very small. "
Does not disappear.

【0047】データを読み出す場合には次のような方法
による。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。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。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 reading data, the following method is used. First, a reverse bias voltage is applied between the n-side electrode 1a and the p-side electrode 5a. Then, when reading the written data, the quantum dot 3a is irradiated with light having the same energy as the separation energy of the quantum dot 3a. When data "1" is written, it is shown in Fig. 3 (c).
As shown in, there is no movement of electrons from the quantum dots 4a to the n-type GaAs layer 2, and the current flowing through the monitor M connected to the electrodes 1a and 5a does not change. Therefore, the irradiated light passes through the quantum dots 4a.

【0048】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 the data "0" is written, as shown in FIG. 3 (b), hole burning occurs in the quantum dots 4a due to light irradiation, and electrons move to the n-type GaAs layer 2. A current will flow through the monitor. In this case, if a large number of quantum dots of the same size are formed, the amount of electrons that move increases, so the detection sensitivity increases.
Further, even if the n type GaAs layer is interposed between the n type GaAs layer 2 and the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 and a high electric field is applied to the n type GaAs layer to easily cause avalanche, the light receiving sensitivity is increased. Good.

【0049】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Al
0.5Ga0.5As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, it is possible to read the stored information depending on the presence or absence of the current, but since the reading cannot be performed a plurality of times in succession, the memory needs to be refreshed after the reading. That is, if hole burning occurs due to the reading of data "0", the n-type GaAs layer 2 and the p-type Al are
A positive bias voltage is applied between the 0.5 Ga 0.5 As layers 5 to inject carriers into the quantum dots 3a to cause recombination to erase information and then rewrite.

【0050】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。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。
By the way, the separation energy of the quantum dots 3a varies depending on the size of the diameter of the quantum dots 4a and the growth temperature of the InAs layer 4. The presence of the plurality of quantum dots 4a having different diameters makes it possible to irradiate the element with a plurality of light having different wavelengths to cause hole burning, and simultaneously write and read a plurality of information. Therefore,
The number of groups of the quantum dots 4a divided by the difference in diameter becomes the number of bits of the optical storage element.

【0051】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 is performed using light having different wavelengths, it is preferable that the quantity of light of a specific wavelength applied to the quantum dots 4a at the time of reading is smaller than the light irradiated at the time of writing. This means that when the data “0” is read out, by reducing the light quantity, some of the plurality of quantum dots having the same diameter undergo hole burning. Therefore, it is possible to reduce the number of electrons emitted by the hole burning that enter the quantum dots of other diameters and destroy the information, which can reduce or eliminate the number of refreshes.

【0052】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。 (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。
The number of electrons emitted from one quantum dot is 2
However, in order to facilitate understanding, only one electron is shown in the figure. (Second Embodiment) A method of reading information from the data of the optical semiconductor memory element shown in the first embodiment by changing the light absorption rate will be described below.

【0053】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。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。
When reading the written data, the quantum dot 4a is irradiated with light having the same energy as the separation energy of the quantum dot 4a. The energy band in the state where the data “0” is written is as shown in FIG. 3 (a). When the quantum dots 4a are irradiated with light in this state, electron-hole pairs are generated as shown in FIG. 3B, and the light is absorbed in the quantum dots 4a, so that the light transmittance is small. When the absorptance of the light of the specific wavelength is large as described above, it is determined that the data “0” has been written.

【0054】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 the state where the data "1" is written is as shown in FIG. 3 (c). In this state, since holes exist in the valence band of the quantum dots 4a, electron-hole pairs do not occur even when irradiated with light. Therefore, the light transmittance of the light in the quantum dots 4a is high. Grows larger. As described above, when the amount of light emitted to the quantum dots 4a is small, it is determined that the data “1” has been written.

【0055】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。
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 example, since the information is monitored by the change of the light absorption rate and the information is not monitored by the current, the electrons are moved from the quantum dots 4a to the n-type GaAs layer 2 when the data "0" is read. No need.
In this case, in order to reduce the number of times the information is refreshed, it is sufficient to make it difficult for a tunnel to occur during reading. Therefore, in order to create a tunnel at the barrier as shown in FIG. 3 (b) at the time of writing and make it difficult to tunnel the barrier at the time of reading, the following method may be adopted.

【0056】情報の書込み時には、電子が量子ドット4
a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Al
0.5Ga0 .5As層5に逆バイアス電圧を印加するのが好まし
い。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。
At the time of writing information, electrons are emitted by the quantum dots 4
It is necessary to facilitate the movement from a to the outside of the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3. For this purpose, n-type GaAs layer 2 and p-type Al
Preferably, a reverse bias voltage is applied to the 0.5 Ga 0 .5 As layer 5. On the other hand, when reading stored information or holding information, n
Do not apply to the type GaAs layer 2 and the p-type Al 0.5 Ga 0 .5 As layer 5 a bias voltage, or irradiated with light while applying a forward bias. According to this, at the time of reading the information, as shown in FIG.
As shown in (b), the slope of the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 serving as a barrier becomes small and the barrier B becomes substantially thick.
Therefore, in the state in which the data “0” is written, as shown in FIG.
As shown in (1), electron-hole pairs are generated by light irradiation, but the electrons recombine with holes quickly without tunneling through the barrier B, so that stored information is not destroyed. Of course, when the data “1” is written,
As shown in (b), the electron irradiation does not generate electron-hole pairs, so the data is not erased.

【0057】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。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。 (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Al
0.5Ga0.5As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。
Even when data is stored, if no voltage is applied or a forward bias voltage is applied between the n-type GaAs substrate 1 and the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer 5, the barrier B Since it becomes thicker, the loss of data is prevented. When reading information from a storage element having a plurality of quantum dots 4a having different diameters, for example, the relationship between the wavelength and the light absorption spectrum as shown in FIG. 5 is examined. Then, it can be seen that the data “1” is written in the quantum dots 4a having the separation energy corresponding to the wavelength having a small light absorption rate. (Third Embodiment) An optical semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention is a transparent conductive layer (not shown) in ohmic contact with the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 including the quantum dots 4a in FIG. 1 (a). Are formed at positions sandwiching the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3. For example, n-type GaAs layer 2 and p-type Al
A transparent electrode made of ITO is formed in place of at least one of the 0.5 Ga 0.5 As layers 5.

【0058】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 of this structure, the quantum dots 4a
Electric field E in the lateral direction of the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 around the
Is applied, an energy band as shown in FIG. 6 (a) is obtained. Then, light having an energy hν 1 equal to the separation energy of the quantum dot 4a is applied to the quantum dot 4a.
6B, hole burning occurs and data "1" is written.

【0059】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。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。 (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 W
Si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。
When writing data "0", it is selected not to irradiate the quantum dots 3a with light. The method of reading the stored information is the same as in the first and second embodiments, and will not be described. (Fourth Embodiment) In the fourth embodiment of the present invention, W is used in place of the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer 5 of the device shown in the first embodiment.
Forming a metal layer of Si to a thickness of 200 nm,
A Schottky barrier was formed at the junction between the undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 and the metal layer. The energy band is as shown in Fig. 7, and the metal layer 6 and Al 0.5 Ga 0.5 As
It can be seen that a Schottky barrier is formed between the layers 3.

【0060】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。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。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Al0.5Ga0.5
As層3の接合部分には、ショットキー障壁が形成され
る。
Since the height of the Schottky barrier is about 0.7 eV with respect to n-GaAs, the potential difference between the n-type GaAs layer 2 and the Schottky barrier is large, and it is difficult for electrons to return to the quantum dots 4a. The holding time becomes longer than that in the first embodiment. FIG. 8 shows an example of an optical semiconductor memory device having a Schottky barrier. In this example, the semiconductor insulating substrate 7
N-type GaAs with an impurity concentration of 5 × 10 17 atoms / cm 3
A layer 8 is formed to a thickness of 50 nm, and an undoped Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 containing a plurality of quantum dots 4a made of InAs and having different diameters is formed thereon to a thickness of 50 nm, and further thereon. The gate electrode 9 made of WSi is formed to a thickness of 200 nm. In this case, the gate electrode 9 and Al 0.5 Ga 0.5
A Schottky barrier is formed at the junction of the As layer 3.

【0061】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1
1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。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。
Further, the source electrode 10 and the drain electrode 11 are resistively connected to the Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 at intervals on both sides of the gate electrode 9. Source electrode 10 and drain electrode 1
1 is formed of two metal layers of AuGe having a thickness of 20 nm and Au having a thickness of 200 nm. In such a semiconductor memory element, the Al 0.5 Ga 0.5 As layer 3 is irradiated with light from its side to write information.

【0062】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 gate electrode 9 and a voltage is applied between the source electrode 10 and the drain electrode 11 to determine the magnitude of the source / drain current. Is used to determine "1" or "0". When hole burning occurs in the quantum dots 4a, that is, when data "1" is written in the quantum dots 4a, the presence of holes suppresses the depletion layer from spreading from the gate voltage 9. The fact that the drain current is larger than that in the state where the data “0” is written is used.

【0063】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 voltage is applied to the gate electrode 9 to cause a source / drain current to flow, and a source / drain current of a state in which light of a specific wavelength is not irradiated You may investigate changes. In this case, when the drain current increases by irradiating with light of a specific wavelength, electrons move from the quantum dots 4a to the channel region to cause hole burning, so that data "0" is written. I understand.

【0064】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。 (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。
A plurality of quantum dots 4a having different diameters are used.
Have different wavelengths (energy) of the light that causes the hole burning, the data of each quantum dot 4a is read by changing the wavelength of the irradiation light. (Fifth Embodiment) An optical semiconductor memory device in which the semiconductor layer having the quantum dots described above is provided in a part of a bipolar transistor will be described with reference to FIG. The energy band of the optical semiconductor memory device is as shown in FIG.

【0065】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5×1017
atoms/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5×1018
atoms/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5×1017
atoms/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 collector contact layer 13 made of n + -type GaAs with an impurity dose amount of 5 × 10 18 atoms / cm 3 and an impurity dose amount of 5 × 10 17 are formed on the GaAs substrate 12.
collector layer 14 made of atoms / cm 3 of n-type GaAs, first i-layer 15 made of undoped GaAs, dose amount 5 × 10 18
Base layer 16 made of p + type GaAs of atoms / cm 3 , second i layer 17 made of undoped AlAs, dose amount 5 × 10 17
atoms / cm 3 of n-type Al 0. 5 Ga 0.5 emitter layer 18 made of As
Are sequentially stacked.

【0066】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1
8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。
Quantum dots 19 made of InAs are formed on the second i layer 17. Also, regarding the thickness of each layer,
Collector contact layer 13 is 300 nm, collector layer 14
Is 200 nm, the first i layer 15 is 300 nm, and the base layer 16 is
Is 100 nm, the second i layer 17 is 100 nm, and the emitter layer 1
8 is 200 nm. In this bipolar transistor, the separation energy Eg 0 of the quantum dots 19 in the AlAs i layer 7 is wider than the band gap Eg 1 of the first i layer 15. Further, the energy barrier of the second i layer 17 with respect to the base layer 16 is increased, and holes are prevented from easily entering the quantum dots 19 from the base layer 16.

【0067】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。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。 (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。 (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1
9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。
Reference numeral 20C in FIG. 9 is a collector electrode,
20B is a base electrode and 20E is an emitter electrode. Next, a method of writing and reading information of quantum dots in this bipolar transistor will be described below. (I) Writing Method When a reverse bias voltage is applied between the emitter layer 18 and the base layer 16 at the time of writing information, the energy band becomes as shown in FIG. 11 (a), and the energy of the second i layer 17 is changed. Becomes large, and the energy barrier B of the quantum dot 19 on the side of the emitter layer 18 becomes thin. Therefore, the electrons can easily move by the tunnel from the quantum dots 19 to the emitter layer 18, and the data “1” can be easily written. In this case, the reverse bias voltage is not applied between the collector layer 14 and the base layer 16 or the forward bias voltage is applied to suppress the generation of current due to light absorption in the first i layer 15. Is preferred. The writing of data "0" is performed by not irradiating light. (Ii) Reading method When reading information, the emitter layer 18 and the base layer 16
No bias voltage is applied between the two. As a result, the energy barrier B of the quantum dot 19 on the side of the emitter layer 18 becomes thicker, so that the quantum dot 1 is irradiated with the reading light.
Even if an electron-hole pair is generated in 9, the electrons are less likely to move to the side of the emitter layer 18 and recombination is facilitated, and hole burning does not occur.

【0068】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。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。
Therefore, the data "0" is not destroyed by the reading light. The data "1" is not destroyed by light irradiation because the quantum dots 19 are in the hole burning state. When reading information, as shown in FIG. 11 (b),
It is preferable to apply a reverse bias voltage between the collector layer 14 and the base layer 16. Accordingly, when the data “1” is written, the reading light is transmitted through the quantum dots 19 and absorbed by the first i layer 15. Due to this absorption, electron-hole pairs are generated in the first i-layer 15,
The electrons move to the collector layer 14, the holes move to the base layer 16, and a photocurrent flows. The photocurrent increases the amount of current between the collector and the base.

【0069】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 light absorption amount is large or the collector-base current is large, the data "1" has been written. In this case, the holes move to the base layer 16, but a high hole barrier exists between the base layer 16 and the emitter layer 18, and the holes are originally difficult to tunnel. The data “0” is not changed to the data “1” by moving to the quantum dot 19.

【0070】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。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。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。
When the data “0” is written, the light for reading is absorbed by the quantum dots 19 and the amount of light reaching the first i layer 15 decreases. Due to this decrease, the photocurrent flowing through the first i layer 15 is small. Therefore, when the light absorption amount is small or the collector-base current is small, the data “0” is written. Since the written information may change, no bias is applied between the collector and the base, or a forward bias is applied to prevent photocurrent from flowing.

【0071】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。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。
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 differs due to the difference in the amount of light absorbed, and thus the difference in the amount of current. This makes it possible to detect stored information. According to this example, since reading and writing can be performed independently, refreshing is unnecessary.

【0072】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。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。
Although the first i layer 15 may be omitted, in this case, a collector layer is formed of a semiconductor material having a bandgap smaller than the separation energy of the quantum dots 19 to generate a photocurrent. Let If the interband energy of the first i-layer 15 is larger than the separation energy of the quantum dots 19, the first
Alternatively, as in the second embodiment, data is read by changing the collector current or the light absorptance.

【0073】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。
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。 (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。
Furthermore, if a high voltage that causes avalanche collapse is applied between the base layer 16 and the collector layer 14, the sensitivity to changes in the amount of received light becomes high,
Response speed becomes faster. As a result, a gain is obtained for light, and the S / N ratio can be increased.
Although the npn bipolar transistor is used in this embodiment, a quantum dot may be included in a part of the pnp bipolar transistor. (Sixth Embodiment) Next, an optical semiconductor memory device in which a layer having quantum dots is formed in a part of a pin junction type photodiode will be described with reference to FIGS. 12 (a) and 12 (b).

【0074】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2
2、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。
In FIGS. 12 (a) and 12 (b), an n-type GaAs layer 2 having a film thickness of 300 nm is formed on a semi-insulating substrate 21 made of GaAs.
2. An undoped In 0.1 Ga 0.9 As layer 23 having a film thickness of 100 nm and a p-type AlAs layer 24 having a film thickness of 200 nm are sequentially formed. p
A plurality of quantum dots 25 made of GaAs or InGaAs having different sizes are formed in the 10 nm region of the center of the type AlAs layer 24.

【0075】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。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。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1
2(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2
5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。
An annular p-side electrode 26 is formed on the p-type AlAs layer 24, and an n-side electrode 27 is formed on the n-type GaAs layer 22. The n-type GaAs layer 22
Impurity concentration of 5 × 10 18 atoms / cm 3 and p-type AlAs layer 24
The impurity is 5 × 10 18 atoms / cm 3 . A pin photodiode having such quantum dots 25 is shown in FIG.
It has an energy band structure as shown in 2 (c). Since a plurality of quantum dots 25 having different sizes are present in the p-type AlAs layer 24, the wavelength of light for generating electron-hole pairs is set to the quantum dot 2 as already described in the above embodiment.
5 depending on the size of each quantum dot 25
Absorbs only the light of the wavelength corresponding to each separation energy.

【0076】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。こ
こで、アンドープIn0.1Ga0.9As層23は、量子ドット2
5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。
Moreover, in the quantum dots 25 that have absorbed light, hole burning occurs and holes are confined therein, so that when light of the same wavelength is irradiated again, that light is It transmits through the quantum dots 25. Here, the undoped In 0.1 Ga 0.9 As layer 23 is a quantum dot 2
Since it has a smaller energy band gap than the material of No. 5, the light transmitted through the quantum dot 25 is undoped.
When absorbed by the In 0.1 Ga 0.9 As layer 23, an electron-hole pair is generated here, and a photocurrent flows, similarly to a general pin photodiode. The light has the same energy as the separation energy of the quantum dots 25.

【0077】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。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。 (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。
Therefore, also in the element of this embodiment, data "1" or "0" is written depending on the presence or absence of light irradiation. Further, since the photocurrent varies depending on the presence / absence of holes in the quantum dots 25, the stored information can be read by measuring the current flowing through the p-side electrode 26 and the n-side electrode 27. Note that the quantum dots 25 are in a hole-burning state after reading the stored information, so that the quantum dots 25 need to be refreshed. (Seventh Embodiment) In this embodiment, an optical semiconductor memory device in which quantum dots are formed at positions different from those in the sixth embodiment will be described.

【0078】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20
0nmのp型AlAs層34が順に形成されている。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。
In FIG. 13, a semi-insulating group made of GaAs is used.
On the plate 31, n with a film thickness of 300 nm +Type GaAs layer 32, film
Undoped In with a thickness of 100 nm0.1Ga0.9As layer 33, film thickness 20
A 0 nm p-type AlAs layer 34 is sequentially formed. Also, p
In the region surrounded by the annular p-side electrode 26 on the AlAs layer 34
Is an undoped AlAs layer 35 having a thickness of 50 nm,
In addition, in the AlAs layer 35,
A plurality of quantum dots 36 are formed.

【0079】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。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。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。 (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。
Further, an n-side electrode 27 is formed on the n + type GaAs layer 22. The impurity concentration of the n-type GaAs layer 32 is 5 × 10 18 atoms / cm 3 , and the impurity concentration of the p-type AlAs layer 34 is 5 × 10 18 atoms / cm 3 . Also in this embodiment, the same information writing and reading as in the sixth embodiment is performed. (Eighth Embodiment) The 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.

【0080】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。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4
3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3
9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。
As the light emitting element, for example, a surface emitting semiconductor laser may be used, and the pin photodiode of the sixth embodiment may be laminated thereon. The energy band diagram is as shown in FIG. An n-type clad layer 41, an undoped active layer 42, and a p-type clad layer 4 are formed on a GaAs substrate (not shown).
3 in order, a first reflective film (not shown) is formed under the GaAs substrate, and a second reflective film (not shown) is formed on the p-type cladding layer 43. Laser 3
9. Further, the optical semiconductor memory element 40 is formed on the second reflective film.

【0081】クラッド層41,43として例えばIn
0.5(Ga1-x Alx )0.5P 層、活性層42として例えばIn
0.5(Ga1-y Aly )0.5P 層を用いる(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Al
As層24と、アンドープIn0.1Ga0.9As層23と、n型Ga
As層22から構成されている。 (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。
As the cladding layers 41 and 43, for example, In
0.5 (Ga 1-x Al x ) 0.5 P layer, as the active layer 42, for example, In
A 0.5 (Ga 1-y Al y ) 0.5 P layer is used (x> y). The optical semiconductor memory device 40 on the p-type clad layer 43 has the same layer structure as that of the sixth embodiment, and has the p-type Al having the quantum dots 25.
As layer 24, undoped In 0.1 Ga 0.9 As layer 23, and n-type Ga
It is composed of an As layer 22. (Ninth Embodiment) In this embodiment, an optical semiconductor memory device using an npn junction type phototransistor as a basic structure will be described with reference to FIG.

【0082】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 GaAs collector layer 46, an undoped GaAs subcollector layer 47, and a p-type AlAs base layer 48 are sequentially formed on the GaAs substrate 45, and on the base layer 48. An annular n-type GaAs emitter layer 50 and an emitter electrode 51 are formed. A plurality of quantum dots 49 made of GaAs having different sizes are formed in a part or all of the region of the base layer 48. A collector electrode 52 is connected to the collector layer 46.

【0083】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。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。
In such a device, since the bandgap of the subcollector layer is smaller than that of the quantum dots, the light passing through the quantum dots is irradiated to the subcollector layer to form electron-hole pairs, and An electric current flows. By the way, when a bipolar transistor is also formed on one GaAs substrate 45, as shown in FIG.
When two elements having the above structure are formed and one of the elements is formed on the base layer 48 with a metal base electrode 53 as shown in FIG. 16, the base electrode 53 shields the light from the base layer 48. The device functions as a normal bipolar transistor. A multi-emitter type bipolar transistor may be used.

【0084】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5
0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。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。
The quantum dots 49 may be formed in the emitter layer 50 instead of the base layer 48. In this case,
The base layer 48 is formed of p-type GaAs, and the emitter layer 5 is formed.
0 will be formed by n-type AlAs. The energy band gap in this case is as shown in FIG. Then, when the quantum dots 49 in the emitter layer 50 are in the hole burning state, the light emitted for reading passes through the emitter layer 50 and is applied to the base layer 48.
Since the energy band gap of the base layer 48 is smaller than the separation energy of the quantum dots 49,
Electron-hole pairs are generated in the base layer 48 by light irradiation, and the holes in the base layer 48 become excessive, so that the collector current changes.

【0085】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。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 this embodiment, since the phototransistor is provided with quantum dots, when hole burning occurs in the quantum dots, the electrons and holes generated between the base layer and the collector layer by the reading light are generated. Because it is amplified
The photocurrent increases. Further, in order to reset (initialize) the information of the quantum dot in which the hole burning is occurring, the amount of light having the energy equal to the separation gap of the quantum dot is increased to generate electrons 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 and thereby reset the information.

【0086】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。 (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(HB
T) 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。
Also in the light receiving element such as the photodiode and the phototransistor, if a large number of quantum dots having different sizes are formed, the light having the energy equal to the separation gap of each quantum dot is selected and the desired quantum is selected. Dots can be written and read.
That is, there are as many memory cells as the size of the quantum dot,
Since addressing corresponding to the wavelength of light is possible,
The storage capacity can be greatly increased. (Tenth Embodiment) In this embodiment, a quantum dot is used as a multi-emitter heterojunction bipolar transistor (HB).
An optical semiconductor memory device configured by applying the above-mentioned T) will be described below.

【0087】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6
4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20
0nm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 the GaAs substrate 61,
A collector layer 62 made of n + -type GaAs having a thickness of 200 nm
And a subcollector layer 63 made of undoped GaAs having a thickness of 100 nm, and a base layer 6 made of p-type GaAs having a thickness of 50 nm.
4 and an emitter layer 65 of n-type In 0.5 Ga 0.5 P having a film thickness of 50 nm. A film thickness of 20 on the emitter layer
An emitter contact layer 67 made of 0 nm n + type GaAs,
A plurality of (68 in the figure) 68 are formed at intervals, and emitter electrodes 69 and 70 are formed on them. A plurality of quantum dots 65 made of GaAs are formed in the emitter layer 65 with different sizes.

【0088】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。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69,7
0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。 (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。
The impurity concentration of the collector layer 62, the base layer 64, the emitter layer 65, and the emitter contact layers 67 and 68 is 5 × 10 18 atoms / cm 3 , respectively. This multi-emitter type HBT has no base electrode, and when the voltages of the emitter electrodes 69 and 70 are equal, no current flows through the collector layer 62, and the emitter layers 69 and
When the voltage of 0 is different, the current flows through the collector layer 62. The voltage applied to the emitter layers 69 and 70 is set higher than that of the collector layer 62. (Eleventh Embodiment) In the semiconductor device described above, stored information of a plurality of quantum dots having different sizes may be read,
When writing information to the quantum dots, you may continuously scan the light of the wavelength corresponding to the separation energy of each quantum dot and irradiate multiple quantum dots, or you can simultaneously emit light of different wavelengths. It may be irradiated. That is, since the separation energy of the quantum dots depends on the size, the growth temperature, etc., writing and reading of information is performed by irradiating each quantum dot with light having a wavelength unique to each quantum dot. Since hole burning does not occur in the quantum dots due to light having a wavelength other than the specific wavelength, no error occurs even when light having different wavelengths is simultaneously or continuously irradiated.

【0089】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. 19 shows the light absorption saturation characteristic when light of different wavelengths is continuously scanned when reading stored information.
(a). In FIG. 19A, the hole burning is caused by the light irradiation in the quantum dot having the separation energy corresponding to the wavelength where the light absorption coefficient is reduced. When hole burning occurs, the photocurrent increases due to the electrons that escape from the quantum dots.

【0090】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。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。 (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。
Therefore, it is possible to write and read a large amount of information by continuously scanning light having different wavelengths. Further, the pin junction type photodiode has different light receiving sensitivity depending on the wavelength as shown in the spectral sensitivity characteristic of FIG. 19 (b). 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. You can From this, it is clear to which wavelength the light should be re-input for the element that needs to be refreshed. (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 optical semiconductor memory element of the above embodiment corresponds to the memory cell.

【0091】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73,7
4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 wires E 1 to E 4 are arranged in the X-axis direction and the second electric wires E 1 to E 4 are arranged in the Y-axis direction.
Of the electric wirings C 1 to C 4 of the memory cell 72, and the two electrodes 73, 7 of the memory cell 72 in the vicinity of the intersection of the electric wirings.
Connect to 4. The two electrodes include the n-side electrode and the p-side electrode of the optical semiconductor memory element described above, or the emitter electrode and the collector electrode.

【0092】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〜hv 44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。
Further, writing and reading of those memory cells 72 are performed.
Light hv to illuminate when taking out11~ Hv 44Is the first and second
Electric wiring of1~ EFour, C1~ CFourLight distribution arranged above
Place a line (not shown). As the optical wiring, for example, an image
There is an optical shutter arranged in a pixel in the display device. Of wavelength
Different light hv11~ Hv44Simultaneously irradiate the memory cell 72
If you want to write or read information collectively,
Irradiate the memory cell 72 with one spot of light.
Yes.

【0093】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。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。
According to such wiring, since the electric wiring and the optical wiring are used, it is possible to carry out the wiring efficiently without the optical and electric signals interfering with each other. When electrons are injected into a quantum dot in which only holes are confined and electrons and holes are recombined in the quantum dot, hole burning of the quantum dot disappears and the data is reset to "0". By collectively injecting electrons into the QDs, the processing speed can be increased and simplified.

【0094】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 of 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.
Multi-emitter type HBT as shown in the tenth embodiment
In this case, when a current is passed between the plurality of emitters to supply electrons to the quantum dots, hole burning does not occur in the quantum dots.

【0095】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。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。 (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。
As described above, when any one of the first electric wirings E 1 to E 4 and the second wirings C 1 to C 4 is selected and a current is passed through the memory cell 72, the selected optical semiconductor is selected. The storage element cannot be written. This means that the optical semiconductor memory element can be selected. When the memory cells are selected and written, the light having a small spot diameter for selecting the memory cells is not necessary, and it is sufficient to collectively irradiate the plurality of memory cells 72 with the light. (Thirteenth Embodiment) In this embodiment, an example in which data is reset by light irradiation is shown.

【0096】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 energy equal to or higher than the band gap Eg 01 of the base layer including the quantum dots is irradiated, holes in the valence band of the base layer are irradiated. Accumulation is promoted, the potential of the base layer is lowered, 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 data of the quantum dots is set to "0".
When multiple quantum dots are present in one base layer,
Data of all quantum dots is "0" by the light irradiation.
become.

【0097】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 are present in one base layer, as shown in FIG. 21 (b), the quantum dot having the largest size is selected and the separation energy of the quantum dots is equal to or larger than that. The base layer is irradiated with light having a wavelength band corresponding to an energy which is 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 the data of all quantum dots are set to “1”.

【0098】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。 (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。
Here, the largest quantum dot is selected because the ground level of this quantum dot is smaller than the ground levels of other quantum dots. (Fourteenth Embodiment) A plurality of quantum dots forming the above-mentioned optical semiconductor memory element may have a multilayer structure.

【0099】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〜8
2e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 quantum dots 82a to 82e formed in the semiconductor layer 81 on the n-type semiconductor substrate 80, the quantum dots 82a to 8e.
The sizes in the surface direction of 2e may be made uniform, while the sizes in the thickness direction may be different. In this case, the quantum dots 82a to 82e may be stacked in the order of diameter, or
The quantum dots 82a to 82e may be stacked in ascending order of the diameter, or the quantum dots 82a to 82e may be stacked so that the size of the diameter becomes irregular.

【0100】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2
2のような構造が得られる。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。
The size of the quantum dots 82a to 82e becomes smaller as the growth temperature becomes higher as shown in FIG. 23, and the density thereof becomes higher as the growth temperature becomes higher. Thereby, the quantum dots 82a to 82e
2 by adjusting the growth temperature of the semiconductor
A structure like 2 is obtained. A plurality of quantum dots 82a-
By controlling the number of sizes of 82e, it is possible to adjust the number of bits in one semiconductor layer 81.

【0101】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. Let
t. 65 (11), 12 September 1994, pp.1421-1423 に記載
されている。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2
4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。
Regarding the technique for changing the size of the quantum dot as described above, J. Oshinowo et. Al., Appl. Phys. Let
t. 65 (11), 12 September 1994, pp.1421-1423. The size of the quantum dot can also be adjusted by changing the supply amount of the semiconductor forming the quantum dot. For example, in the steps shown in FIGS. 1 (a) to 1 (c),
If the thickness of the InAs layer 4 that becomes the quantum dots 4a is changed,
There is a relationship as shown in 4. In addition, in FIG. 24, the supply amount of InAs is shown by the thickness of InAs.

【0102】図24によれば、供給量が1.5〜2.3
ML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。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In
GaAs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。
According to FIG. 24, the supply amount is 1.5 to 2.3.
It can be seen that up to ML, the size of the quantum dot becomes smaller as the supply amount of InAs is increased. In this way, the plurality of quantum dots arranged in the film thickness direction have different diameters, and as shown in FIG.
GaAs substrate is used and AlAs or AlGaAs is used as the semiconductor layer 81.
Layer, using InAs or In as the quantum dots 82a to 82e.
A band diagram as shown in FIG. 25 is obtained by using dots of GaAs and further forming an electrode 83 which is in Schottky contact with the semiconductor layer 81 on the semiconductor layer 81. In this case, the quantum dots 82a to 82e are stacked in descending order of diameter.

【0103】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。まず、情報を書き込む場
合を説明する。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8
0が電極83よりも電圧が高くなっている。
Writing information in the optical memory device of this structure,
The reading method is as follows. First, the case of writing information will be described. When the uppermost quantum dot 82e is irradiated with light of a specific wavelength to generate an electron-hole pair and the electron is emitted to the outside of the quantum dot 82e by the tunnel effect, the electron is generated between the electrode 83 and the semiconductor substrate 80. Is moved to the semiconductor substrate 80. However, a voltage is applied between the electrode 83 and the semiconductor substrate 80, and the semiconductor substrate 8
The voltage of 0 is higher than that of the electrode 83.

【0104】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。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。
Before the electrons reach the semiconductor substrate 80, if the lower quantum dot 82b is already irradiated with light and "1" is written, the uppermost quantum dot 82e will be written.
There is an inconvenience that the electrons moved from are recombined in the quantum dots 82b below and rewrite the information of the quantum dots 82b below to “0”. Therefore, in the case of the optical memory device having the quantum dots 82a to 82e having the multilayer structure, it is preferable to write the information in order from the quantum dot with the lower potential side. In FIG. 22A, information is written in order from the side farthest from the semiconductor substrate 80.

【0105】次に、情報を読み出す場合を説明する。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。
Next, the case of reading information will be described. When information “0” is written in the uppermost quantum dot 82e, when the quantum dot 82e is irradiated with a specific wavelength to read the information, electrons are emitted from the quantum dot 82e to the outside. In this case, the electrons are recombined in the lower quantum dot 82b in which the information "1" is written,
The information may be rewritten to "0".

【0106】従って、多層構造の量子ドット82a〜8
2e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2
2(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。もっとも、全部の量子ドット82
a〜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。
Therefore, the quantum dots 82a-8 of the multilayer structure
In the case of the optical memory device having 2e, it is preferable to read the information of the quantum dots on the higher potential side in order. FIG.
In 2 (a), information is read in order from the side closest to the semiconductor substrate 80. However, all quantum dots 82
After reading the information of a to 82e, it is necessary to reset and rewrite all the quantum dots 82a to 82e. That is, a forward current is applied to the Schottky barrier to reset all stored information to "0" by the electron current.

【0107】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。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。
In this embodiment, the electrode 83 in Schottky contact is formed on the semiconductor layer 81, but a p-type semiconductor layer may be formed instead of the electrode 83. Reset in this case is performed by passing a current in the forward direction of the pn junction. Note that, as shown in FIG. 26, an n-type semiconductor substrate 80
When a high electric field is applied to the undoped semiconductor layer 84 by interposing the undoped semiconductor layer 84 made of GaAs between the semiconductor layer 81 and the semiconductor layer 81, electrons are amplified by avalanche collapse and a large signal can be obtained as described above. Become.

【0108】なお、光メモリ素子への光は、半導体層8
1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。 (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。
The light to the optical memory element is the semiconductor layer 8
Irradiation is performed from the side of 1 or from above by using the electrode 83 made of a transparent conductive material. (Fifteenth Embodiment) The following method is adopted when writing and reading information in an optical memory having quantum dots having a multilayer structure as shown in FIG.

【0109】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 〜8
2e 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1
4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。
To write information, as shown in FIG. 27, composite light having energies hv 01 to hv 05 equal to the transition energies of the quantum dots 82a to 82e may be simultaneously irradiated, or as shown in FIG. , Multiple energies hv 01 ~
The light of hv 05 is individually time-sequentially used for each quantum dot 82a to 8a.
Irradiate 2e. Each quantum dot 82a can be obtained only by irradiation with light having the same energy as the transition energy.
Since any writing of ~ 82e is possible, either method can be adopted. However, when irradiating light in time series, the first
As shown in the fourth embodiment, it is preferable to write information in order from the quantum dot with the lower potential side.

【0110】なお、hはプランク定数、vは光の振動数
である。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
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。
Note that h is Planck's constant and v is the frequency of light. When reading information, information “0” or “1” is determined according to the amount of change in the current flowing through the semiconductor substrate 80.
As shown in FIG. 27, light of a plurality of energies hv 01 to hv 05 is sequentially and sequentially time-sequentially applied to the respective quantum dots 82a to 82e.
By irradiating the However, as described in the fourteenth embodiment, it is preferable to determine the irradiation order of light such that information is sequentially read from the quantum dots on the higher potential side.

【0111】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。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)E
g01 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。 (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2
9(a) に示すような構造を採用する。
In this case, as shown in FIG. 28, when light pulses having different energies are sequentially irradiated, the detection current flowing through the semiconductor substrate 80 and the electrode 83 changes in time series according to the irradiation timing of the light pulses. As a result, the output is detected. The energy difference (transition energy) E between the ground level of the conduction band and the valence band in the quantum dot E
g 01 is equal to hv 01 , and similarly, Eg 02 is hv 02 ,
Eg 03 is hv 053 , Eg 04 is hv 04 , Eg 05 is hv 015
be equivalent to. (Sixteenth Embodiment) In an optical memory device having a multi-layered quantum dot, in order to prevent tunneling of holes among electron-hole pairs generated in the quantum dot by light irradiation, FIG.
The structure shown in 9 (a) is adopted.

【0112】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。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。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Al0.5Ga
0.5As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。
In FIG. 29A, the same symbols as those in FIG. 22 indicate the same elements. In this case, each quantum dot 82a
~ 82e, the valence band Ec
A second barrier layer 85 made of a material having a high band offset and a small band offset of the conduction band Ev is arranged. For example, when the second barrier layer 85 is composed of In 0.5 Ga 0.5 P, the band offset of the conduction band is 0.
The band offset of 1 eV and the valence band is 0.5 eV.
In this case, an n-type GaAs substrate is used as the semiconductor substrate 80, and Al 0.5 Ga is used as the semiconductor layer 81 serving as the first barrier layer.
InAs as quantum dots 82a to 82e using 0.5 As layer
29B, when the electrode 83 which is in Schottky contact with the semiconductor layer 81 is formed of tungsten, the band diagram is as shown in FIG.

【0113】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。 (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。
As is apparent from FIG. 29 (b),
The holes remaining in the quantum dots 82a after the generation of hole pairs are second
The barrier layer 85 prevents the tunnel from accumulating and thus does not adversely affect other layers. Moreover, since tunneling of electrons from the quantum dots 85a is not hindered, writing and reading of the optical memory element are easy. Other Embodiments The material of the quantum dots and the semiconductor layers around them in the above-described embodiments may be any of III-V group semiconductors, II-IV group semiconductors, Si, Ge, SiGe, and the like. However, the present invention is not limited to the above description of the embodiment.

【0114】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1
7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 construct an optical semiconductor memory integrated circuit, not only the above-mentioned 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 the semiconductor layer including the quantum dots is not irradiated with light. When such an element is made to function as a switching element, a light shielding film may be formed on the semiconductor layer containing the quantum dots. For example, the semiconductor layer 1 of the device shown in FIG.
A light-shielding film may be formed at the position shown by the alternate long and short dash line on 7 and used as a normal bipolar transistor.

【0115】[0115]

【発明の効果】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。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。
As described above, according to the present invention, the semiconductor layer having the quantum dots is sandwiched between the first and second conductive films, an electric field is generated between the conductive films, and the quantum dots are removed from the quantum dots by hole burning. It makes it difficult for the emitted electrons to return to the quantum dots. Further, according to another aspect of the present invention, since the carrier barrier semiconductor layer having the quantum dots inside is formed on the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer to form the wavelength multiplex memory, the hole multiplexing is performed by light irradiation. When the burning occurs, the electrons emitted from the quantum dots have a high probability of flowing out to the first conductivity type impurity-containing semiconductor layer, and the probability of carriers flowing into the quantum dots to cause recombination becomes low.

【0116】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。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。
In these inventions, information is written by forming a quantum dot in a semiconductor layer and irradiating it with light to cause hole burning, or by not irradiating light to cause hole burning. Because
Data can be written depending on whether or not the hole burning has occurred. The written information is read by irradiating light of the same wavelength, and "1" and "0" can be determined by the change of the current flowing through the semiconductor layer and the change of the absorption amount of the light by the light irradiation.

【0117】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 conduction band and the valence band of the quantum dot. Therefore, by changing the size of the quantum dot. Since the wavelength of light used for writing and reading is different, the number of bits of the storage element can be determined by the number of different quantum dot sizes.

【0118】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。
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。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。
Since information is written depending on whether or not hole burning occurs, information can be initialized by injecting electrons into quantum dots.
When storing and reading information, applying a bias voltage so that the energy barrier around the quantum dots becomes thick can prevent the destruction of information. Since the optical semiconductor memory element is configured by adopting the semiconductor layer including the quantum dots as described above as a part of the active element, the current flowing at the time of reading information is amplified and the light quantity is converted into an electric signal. It becomes possible to read information easily.

【0119】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。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。
When a plurality of quantum dots are formed in the film thickness direction and the sizes are different, when the energy is changed and the writing light is applied to the quantum dots, the quantum dots are arranged in the order in which they are arranged in the carrier movement direction. If you write it,
It is possible to prevent the destruction of the information of the already written quantum dots. In addition, if multiple quantum dots are formed in the film thickness direction and if they are of different sizes, writing is performed according to the order in which they are arranged in the direction opposite to the carrier movement direction. Can be prevented from being destroyed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に使用する光半導体記憶
素子の形成方法を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for forming an optical semiconductor memory element used in the first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施形態に使用する量子ドットの
大きさが異なる状態を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which quantum dots used in the first embodiment of the present invention have different sizes.

【図3】本発明の第1実施形態に使用する光半導体記憶
素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。
FIG. 3 is an energy band diagram of an optical semiconductor memory device used in the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2実施形態に係る光半導体記憶素子
の情報保持又は情報読出しの際のエネルギーバンドダイ
アグラムである。
FIG. 4 is an energy band diagram at the time of holding information or reading information from the optical semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2実施形態に係る光半導体記憶素子
の情報読出しの際の光の波長と量子ドットの光の吸収率
の関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the wavelength of light and the absorptance of light of the quantum dots when reading information from the optical semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第3実施形態に係る光半導体記憶素子
のエネルギーバンドダイヤグラムである。
FIG. 6 is an energy band diagram of an optical semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第4実施形態に係るショットキーバリ
アを有する光半導体記憶素子のエネルギーバンドダイヤ
グラムである。
FIG. 7 is an energy band diagram of an optical semiconductor memory device having a Schottky barrier according to a fourth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第4実施形態に係る光半導体記憶素子
を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing an optical semiconductor memory element according to a fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第5実施形態に係る光半導体記憶素子
を示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing an optical semiconductor memory element according to the fifth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第5実施形態に係る光半導体記憶素
子の構造的なエネルギーバンドダイヤグラムを示してい
る。
FIG. 10 is a structural energy band diagram of an optical semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第5実施形態に係る光半導体記憶素
子の情報の書込み時、読出し時のそれぞれのエネルギー
バンドダイヤグラムを示している。
FIG. 11 is an energy band diagram at the time of writing and reading information of the optical semiconductor memory device according to the fifth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第6実施形態に係る光半導体記憶素
子を示す断面図、平面図及びそのエネルギーバンドダイ
ヤグラムを示している。
FIG. 12 shows a sectional view, a plan view, and an energy band diagram showing an optical semiconductor memory element according to a sixth embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第7実施形態に係る光半導体記憶素
子を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing an optical semiconductor memory element according to a seventh embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第7実施形態に係る光半導体記憶素
子とこれに接続された発光素子のエネルギーバンドダイ
ヤグラムである。
FIG. 14 is an energy band diagram of an optical semiconductor memory device and a light emitting device connected thereto according to a seventh embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第8実施形態に係る光半導体記憶素
子の断面図とそのエネルギーバンドダイヤグラムであ
る。
FIG. 15 is a cross-sectional view of an optical semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention and its energy band diagram.

【図16】本発明の第8実施形態に係る光半導体記憶素
子を遮光膜によって覆って構成されたバイポーラトラン
ジスタを示す断面図である。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a bipolar transistor configured by covering an optical semiconductor memory element according to an eighth embodiment of the present invention with a light shielding film.

【図17】本発明の第8実施形態に係る光半導体記憶素
子での量子ドットをエミッタ領域に形成した場合のエネ
ルギーバンドダイヤグラムである。
FIG. 17 is an energy band diagram when quantum dots are formed in the emitter region in the optical semiconductor memory device according to the eighth embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第10実施形態に係る光半導体記憶
素子を示す断面図である。
FIG. 18 is a sectional view showing an optical semiconductor memory element according to the tenth embodiment of the present invention.

【図19】本発明の第10実施形態に係る光半導体記憶
素子の情報の読出し、書き込みに使用される波長の異な
る光を連続的にスキャンした場合の光吸収飽和特性図と
分校感度特性図である。
FIG. 19 is a light absorption saturation characteristic diagram and a branching sensitivity characteristic diagram in the case where light of different wavelengths used for reading and writing information of the optical semiconductor memory device according to the tenth embodiment of the present invention is continuously scanned. is there.

【図20】本発明の第12実施形態に係る光半導体記憶
装置を示す回路図である。
FIG. 20 is a circuit diagram showing an optical semiconductor memory device according to a twelfth embodiment of the invention.

【図21】本発明の第13実施形態に係る光半導体記憶
素子のホールバーニングを解消する状態を示すエネルギ
ーバンドダイヤグラムと、ホールバーニングを生じさせ
るエネルギー範囲を示すエネルギーバンドダイヤグラム
である。
FIG. 21 is an energy band diagram showing a state in which the hole burning of the optical semiconductor memory device according to the thirteenth embodiment of the present invention is eliminated, and an energy band diagram showing an energy range in which the hole burning is generated.

【図22】本発明の第14実施形態にかかる光半導体記
憶素子を示す断面図である。
FIG. 22 is a sectional view showing an optical semiconductor memory element according to the fourteenth embodiment of the present invention.

【図23】図22に示す光半導体記憶素子の量子ドット
のサイズ、密度と成長温度の関係を示す図である。
23 is a diagram showing the relationship between the size and density of quantum dots and the growth temperature of the optical semiconductor memory element shown in FIG.

【図24】本発明の第14実施形態にかかる光半導体記
憶素子のInAsよりなる量子ドットを形成する工程におい
て、量子ドットのサイズとInAs供給量の関係を示す図で
ある。
FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the quantum dot size and the InAs supply amount in the step of forming quantum dots made of InAs in the optical semiconductor memory device according to the fourteenth embodiment of the present invention.

【図25】本発明の第14実施形態にかかる光半導体記
憶素子のエネルギーバンドダイアグラムである。
FIG. 25 is an energy band diagram of an optical semiconductor memory device according to the fourteenth embodiment of the present invention.

【図26】本発明の第14実施形態にかかる光半導体記
憶素子にアバランシェ崩壊を生じさせるためのアンドー
プ半導体層を介在させた構造を示す断面図である。
FIG. 26 is a sectional view showing a structure in which an undoped semiconductor layer for causing avalanche collapse is interposed in an optical semiconductor memory device according to a fourteenth embodiment of the present invention.

【図27】本発明の第15実施形態にかかる光半導体記
憶素子への情報の書込みのためのエネルギーの異なる複
数の光を同時に照射することを示す光波形図である。
FIG. 27 is an optical waveform diagram showing simultaneous irradiation with a plurality of lights having different energies for writing information to the optical semiconductor memory element according to the fifteenth embodiment of the present invention.

【図28】本発明の第15実施形態にかかる光半導体記
憶素子への情報の書込み又は読出しのためのエネルギー
の異なる複数の光を同時に照射することを示す光波形図
と、半導体記憶素子に流れる電流の変化の一例を示す波
形図である。
FIG. 28 is an optical waveform diagram showing simultaneous irradiation with a plurality of lights having different energies for writing or reading information to or from an optical semiconductor memory element according to the fifteenth embodiment of the present invention, and a flow chart of the semiconductor memory element. It is a wave form diagram which shows an example of change of electric current.

【図29】本発明の第16実施形態にかかる光半導体記
憶素子を示す断面図と、そのエネルギーバンドダイアグ
ラムである。
FIG. 29 is a sectional view showing an optical semiconductor memory element according to the sixteenth embodiment of the present invention, and an energy band diagram thereof.

【図30】従来の光半導体記憶素子のエネルギーバンド
ダイヤグラムである。
FIG. 30 is an energy band diagram of a conventional optical semiconductor memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 Al 0.5 Ga 0.5 As layer (semiconductor layer) 4a quantum dot 5 p-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer (semiconductor layer) 7 metal layer 8 n-type GaAs layer (semiconductor layer) 9 gate Electrode 16 Base layer 17 i layer 18 Emitter layer 19 Quantum dot 23 In 0.1 Ga 0.9 As layer 24 p-type AlAs layer (semiconductor layer) 34 p-type AlAs layer (semiconductor layer) 36 AlAs layer 37 Quantum dot 39 Semiconductor laser 40 Optical semiconductor Storage element 47 Sub-collector layer 48 Base layer 49 Quantum dot 50 Emitter layer 64 Base layer 65 Emitter layer 66 Quantum dot 67,68 Emitter contact layer 81 Semiconductor layers 82a to 82e Quantum dot 85 Barrier layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/73 (72)発明者 堀口 直人 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 杉山 芳弘 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 中田 義昭 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical indication location H01L 29/73 (72) Inventor Naoto Horiguchi 1015 Ueodachu, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Within Fujitsu Limited (72) Inventor Yoshihiro Sugiyama 1015 Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture, Fujitsu Limited (72) Inventor Yoshiaki Nakata 1015, Kamedotachu, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture, Fujitsu Limited

Claims (31)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の導電層と、 前記第1の導電層の上に形成された半導体層と、 前記半導体層内に形成された量子ドットと、 前記半導体層の上に形成され、前記第1の導電層との間
に電界が印加される第2の導電層とを有することを特徴
とする光半導体記憶装置。
1. A first conductive layer, a semiconductor layer formed on the first conductive layer, quantum dots formed in the semiconductor layer, and a quantum dot formed on the semiconductor layer, An optical semiconductor memory device comprising: a second conductive layer to which an electric field is applied between the first conductive layer and the first conductive layer.
【請求項2】第1導電型不純物を含有する第1の半導体
層と、 前記第1の半導体層上に形成されたキャリア障壁半導体
層と、 前記キャリア障壁半導体層内に形成された量子ドットと
を有することを特徴とする光半導体記憶装置。
2. A first semiconductor layer containing a first conductivity type impurity, a carrier barrier semiconductor layer formed on the first semiconductor layer, and quantum dots formed in the carrier barrier semiconductor layer. An optical semiconductor memory device comprising:
【請求項3】前記量子ドットは、大きさを異ならせて複
数個存在することを特徴とする請求項2記載の光半導体
記憶装置。
3. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein a plurality of the quantum dots are present with different sizes.
【請求項4】前記キャリア障壁半導体層は、アンドープ
半導体又は第2導電型不純物含有半導体から形成される
ことを特徴とする請求項2記載の光半導体記憶装置。
4. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein the carrier barrier semiconductor layer is formed of an undoped semiconductor or a second conductivity type impurity-containing semiconductor.
【請求項5】前記キャリア障壁半導体層上には、前記キ
ャリア障壁半導体層にショットキー接触する金属層又は
第2導電型不純物を含有する第2の半導体層のいずれか
が形成されていることを特徴とする請求項2記載の光半
導体記憶装置。
5. A metal layer in Schottky contact with the carrier barrier semiconductor layer or a second semiconductor layer containing an impurity of a second conductivity type is formed on the carrier barrier semiconductor layer. The optical semiconductor memory device according to claim 2, which is characterized in that:
【請求項6】前記量子ドットの伝導帯又は価電子帯の量
子準位と前記第1の半導体層の伝導帯又は価電子帯とが
エネルギー的に分離されていることを特徴とする請求項
4又は5記載の光半導体記憶装置。
6. The quantum level of the conduction band or valence band of the quantum dot and the conduction band or valence band of the first semiconductor layer are energetically separated from each other. Alternatively, the optical semiconductor memory device according to item 5.
【請求項7】前記第1の半導体層と前記キャリア半導体
層の間にはアンドープの第3の半導体層が形成されてい
ることを特徴とするする請求項2記載の光半導体記憶装
置。
7. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein an undoped third semiconductor layer is formed between the first semiconductor layer and the carrier semiconductor layer.
【請求項8】前記キャリア障壁半導体層は、電界効果ト
ランジスタのチャネル層の上に形成されていることを特
徴とする請求項2記載の光半導体記憶装置。
8. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein the carrier barrier semiconductor layer is formed on a channel layer of a field effect transistor.
【請求項9】前記キャリア障壁半導体層は、バイポーラ
トランジスタのエミッタ層又はベース層を構成している
ことを特徴とする請求項2記載の光半導体記憶装置。
9. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein the carrier barrier semiconductor layer constitutes an emitter layer or a base layer of a bipolar transistor.
【請求項10】前記バイポーラトランジスタのコレクタ
層の一部又は全部のエネルギーバンドギャップは、前記
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
ー差よりも小さいことを特徴とする請求項9記載の光半
導体記憶装置。
10. The energy band gap of a part or all of the collector layer of the bipolar transistor is smaller than the energy difference between the ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dot. 9. The optical semiconductor memory device described in 9.
【請求項11】前記バイポーラトランジスタのコレクタ
層と前記ベース層の間にはアンドープ半導体層が形成さ
れ、該アンドープ半導体層のエネルギーバンドギャップ
は、前記量子ドットの伝導帯と価電子帯の基底準位間の
エネルギー差よりも小さいことを特徴とする請求項9記
載の光半導体記憶装置。
11. An undoped semiconductor layer is formed between the collector layer and the base layer of the bipolar transistor, and an energy band gap of the undoped semiconductor layer is a ground level of a conduction band and a valence band of the quantum dot. 10. The optical semiconductor memory device according to claim 9, wherein the difference is smaller than the energy difference between them.
【請求項12】前記バイポーラトランジスタのエミッタ
層には複数のエミッタ電極が形成され、コレクタ層には
コレクタ電極が形成されていることを特徴とする請求項
9記載の光半導体記憶装置。
12. The optical semiconductor memory device according to claim 9, wherein a plurality of emitter electrodes are formed on the emitter layer of the bipolar transistor, and a collector electrode is formed on the collector layer.
【請求項13】前記キャリア障壁半導体層は、pin接
合型フォトダイオードのi層を構成していることを特徴
とする請求項2記載の光半導体記憶装置。
13. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein the carrier barrier semiconductor layer constitutes an i layer of a pin junction type photodiode.
【請求項14】前記キャリア障壁半導体層は、発光素子
の上に形成されていることを特徴とする請求項2記載の
光半導体記憶装置。
14. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein the carrier barrier semiconductor layer is formed on a light emitting element.
【請求項15】前記量子ドットは、前記キャリア障壁半
導体層の厚さ方向に複数個存在することを特徴とする請
求項2記載の光半導体記憶装置。
15. The optical semiconductor memory device according to claim 2, wherein a plurality of the quantum dots are present in a thickness direction of the carrier barrier semiconductor layer.
【請求項16】複数の前記量子ドットは、膜厚方向に径
が異なることを特徴とする請求項15記載の光半導体装
置。
16. The optical semiconductor device according to claim 15, wherein the plurality of quantum dots have different diameters in the film thickness direction.
【請求項17】前記量子ドットのうちの前記キャリアの
移動方向と反対側には、ホールバーニング状態の前記量
子ドット内に溜まる正孔又は電子の移動を妨げる障壁層
が形成されていることを特徴とする請求項15記載の光
半導体装置。
17. A barrier layer for preventing movement of holes or electrons accumulated in the quantum dots in the hole burning state is formed on a side of the quantum dots opposite to a moving direction of the carriers. The optical semiconductor device according to claim 15.
【請求項18】前記キャリア障壁半導体層は複数の能動
素子の一部に形成され、幾つかの該能動素子の前記半導
体層は遮光膜で覆われていることを特徴とする請求項2
記載の光半導体記憶装置。
18. The carrier barrier semiconductor layer is formed on a part of a plurality of active elements, and the semiconductor layers of some of the active elements are covered with a light shielding film.
The optical semiconductor memory device described.
【請求項19】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。
19. A hole is formed by irradiating a quantum dot formed in a semiconductor layer with light, and irradiating light with a wavelength corresponding to an energy difference between respective ground levels of a conduction band and a valence band of the quantum dot. A method for writing and reading information in an optical semiconductor memory device, which comprises causing burning to write information, and irradiating the quantum dots with light of the wavelength to read the information by a change in current flowing from the semiconductor layer.
【請求項20】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。
20. The quantum dots formed in the semiconductor layer are irradiated with light, and the quantum dots formed in the semiconductor layer are irradiated with light having a wavelength corresponding to the energy difference between the ground level of the conduction band and the valence band of the quantum dots. A method for writing and reading information in an optical semiconductor memory device, characterized in that burning is performed to write information, and the quantum dot is irradiated with light of the wavelength to read the information according to the amount of light transmitted through the semiconductor layer.
【請求項21】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
とを特徴とする請求項19又は20記載の光半導体記憶
装置の書込み読出し方法。
21. The semiconductor layer is formed between an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and a reverse bias voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer during the writing, 21. The writing / reading method of an optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein a bias voltage is not applied to said n-type semiconductor layer and said p-type semiconductor layer at the time of reading, or a forward bias voltage is applied. .
【請求項22】前記量子ドットを有する前記半導体層
は、バイポーラトランジスタのエミッタ又はベースを構
成し、 前記情報を読み出す際には、前記バイポーラトランジス
タの前記ベースとコレクタの間には光照射によりアバラ
ンシェ崩壊を起こす大きさの電圧が印加されていること
を特徴とする請求項19又は20記載の光半導体記憶装
置の書込み読出し方法。
22. The semiconductor layer having the quantum dots constitutes an emitter or a base of a bipolar transistor, and when reading the information, avalanche collapse is caused between the base and the collector of the bipolar transistor by light irradiation. 21. The writing / reading method of the optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein a voltage having a magnitude that causes the above is applied.
【請求項23】前記量子ドットを有する前記半導体層
は、バイポーラトランジスタのエミッタ又はベースを構
成し、 前記情報の書込み時には、前記バイポーラトランジスタ
の前記エミッタと前記ベース間に逆バイアスを印加し、
前記ベースとコレクタの間にはバイアス電圧を印加せ
ず、 前記情報の読出し時には、前記エミッタと前記ベースの
間にはバイアス電圧を印加せず、前記ベースと前記コレ
クタの間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする
請求項19又は20記載の光半導体記憶装置の書込み読
出し方法。
23. The semiconductor layer having the quantum dots constitutes an emitter or a base of a bipolar transistor, and when writing the information, a reverse bias is applied between the emitter and the base of the bipolar transistor,
A bias voltage is not applied between the base and the collector, a bias voltage is not applied between the emitter and the base, and a reverse bias voltage is applied between the base and the collector when reading the information. 21. The write / read method of an optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein:
【請求項24】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
請求項19又は20記載の光半導体記憶装置の書込み読
出し方法。
24. A plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels are provided, and when reading the information, light of a plurality of wavelengths corresponding to the energy differences is continuously changed. 21. The write / read method of an optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein the quantum dots are irradiated.
【請求項25】前記量子ドットを有する前記半導体層は
受光素子の一部を構成し、前記情報の読出しの際には該
受光素子の光照射波長による分光感度特性の差異の変化
により複数の前記量子ドットの前記情報を読み出すこと
を特徴とする請求項20記載の光半導体記憶装置の書込
み読出し方法。
25. The semiconductor layer having the quantum dots constitutes a part of a light receiving element, and at the time of reading the information, a plurality of the plurality of the light receiving elements are changed due to a change in spectral sensitivity characteristic depending on a light irradiation wavelength of the light receiving element. 21. The writing / reading method of the optical semiconductor memory device according to claim 20, wherein the information of the quantum dots is read.
【請求項26】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請求
項19又は20記載の光半導体記憶装置の書込み読出し
方法。
26. A plurality of quantum dots having different energy differences between the ground levels are provided, and when writing the information and reading the information, light having a plurality of wavelengths corresponding to these energy differences is provided. 21. The write / read method of an optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein the irradiation is performed simultaneously.
【請求項27】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
ことを特徴とする請求項26記載の光半導体装置の書込
み読出方法。
27. The plurality of quantum dots having different energy levels between the ground levels are arranged in the film thickness direction, and when writing the information, the quantum dots are arranged in the order of the direction in which carriers move by light irradiation. 27. The writing / reading method of the optical semiconductor device according to claim 26, wherein information is written in the dots.
【請求項28】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
ことを特徴とする請求項26記載の光半導体装置の書込
み読出方法。
28. The plurality of quantum dots having different energy levels 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 moving direction of carriers by light irradiation. 27. The writing / reading method of an optical semiconductor device according to claim 26, wherein information of the quantum dots is read.
【請求項29】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請求項19又は20記載
の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
29. The optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein an electric field is generated in the semiconductor layer having the quantum dots to supply electrons to the quantum dots to initialize the information. Write and read method.
【請求項30】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
徴とする請求項19又は20記載の光半導体記憶装置の
書込み読出し方法。
30. The write / read method of an optical semiconductor memory device according to claim 19, wherein writing of the information is prohibited by passing a current through the semiconductor layer having the quantum dots.
【請求項31】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。
31. A plurality of quantum dots are present in a semiconductor layer,
The quantum dot is irradiated with light having an energy width 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. A method for writing and reading in an optical semiconductor memory device, characterized in that all of the above are put into a hole burning state.
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US7372067B2 (en) 2004-09-30 2008-05-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Refractive index changing apparatus and method

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