JPH0982900A - Optical semiconductor memory device, its information wiring method and reading out method, and optical semiconductor logic circuit device - Google Patents

Optical semiconductor memory device, its information wiring method and reading out method, and optical semiconductor logic circuit device

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JPH0982900A
JPH0982900A JP7235050A JP23505095A JPH0982900A JP H0982900 A JPH0982900 A JP H0982900A JP 7235050 A JP7235050 A JP 7235050A JP 23505095 A JP23505095 A JP 23505095A JP H0982900 A JPH0982900 A JP H0982900A
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JP
Japan
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layer
optical semiconductor
memory device
semiconductor memory
emitter
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Withdrawn
Application number
JP7235050A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Imamura
健一 今村
Shunichi Muto
俊一 武藤
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0982900A publication Critical patent/JPH0982900A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical semiconductor memory device which can read out and write by optical signals, has a long holding duration for memorizing information and has a large capacity, and methods for information writing and reading out, and to provide an optical semiconductor logic circuit device using the optical semiconductor memory device. SOLUTION: A device is constituted of a collector layer 14 made from a first conductive semiconductor, a base layer 16 joined with the collector layer 14 and made from a second conductive semiconductor, an emitter layer 18 made from the first conductive semiconductor and joined with the base layer 16, and a quantum dot 26 formed in this base layer 16.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体記憶装置
に係り、特に光信号で記憶情報の書き込み、読み出しが
できる大容量の光半導体記憶装置、情報書き込み方法及
び情報読み出し方法、並びに光半導体論理回路装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor memory device, and more particularly to a large-capacity optical semiconductor memory device capable of writing and reading stored information by an optical signal, an information writing method and an information reading method, and an optical semiconductor logic. Regarding circuit devices.

【0002】[0002]

【従来の技術】光半導体装置は、信号処理の高速化・信
号の並列処理が、電気信号に応答し或いは電気信号を出
力する電子デバイスと比較して容易であること等により
様々な研究がなされている。このような背景から、光半
導体装置を用いた記憶装置が種々提案されているが、現
在のところ実用化には至っていない。これは、メモリセ
ルを光半導体装置によって構築したとしても、周辺の論
理回路やスイッチング回路が電子デバイスによって構成
せざるを得なかったため、光半導体装置と電子デバイス
のそれぞれの特徴を十分に活用することができなかった
ことや、光半導体記憶装置の明確なデバイス概念がなか
ったこと等がその原因として挙げられる。
2. Description of the Related Art Various researches have been conducted on optical semiconductor devices because the speed of signal processing and parallel processing of signals are easier than that of electronic devices that respond to or output electric signals. ing. Against this background, various storage devices using optical semiconductor devices have been proposed, but at present they have not been put to practical use. This is because even if the memory cell is constructed by the optical semiconductor device, the peripheral logic circuits and switching circuits have to be constructed by electronic devices. Therefore, the characteristics of the optical semiconductor device and the electronic device must be fully utilized. The reason for this is that it was not possible, and there was no clear device concept of the optical semiconductor memory device.

【0003】本願発明者等はpn接合をもつ半導体に光
を照射したときの電流−電圧特性の変化を利用して光信
号で書き込み読み出しを行う光半導体記憶装置を特願平
7−65493号明細書において提案した。特願平7−
65493号明細書記載の従来の光半導体記憶装置は、
負性抵抗特性を有するトンネルダイオードと負荷素子と
が直列接続された回路により構成され、回路の双安定状
態の変化を利用して記憶装置として用いている。
The inventors of the present application have proposed an optical semiconductor memory device for writing / reading with an optical signal by utilizing a change in current-voltage characteristics when a semiconductor having a pn junction is irradiated with light, as disclosed in Japanese Patent Application No. 7-65493. Proposed in the calligraphy. Japanese Patent Application No. 7-
The conventional optical semiconductor memory device described in Japanese Patent No. 65493 is
It is composed of a circuit in which a tunnel diode having a negative resistance characteristic and a load element are connected in series, and it is used as a memory device by utilizing a change in a bistable state of the circuit.

【0004】特願平7−65493号明細書記載の光半
導体記憶装置は、図27に示すように、トンネルダイオ
ードのI−V特性曲線aと負荷直線cとの交点におい
て、低電圧側安定点S1と、高電圧側安定点S2とを有す
る双安定状態を示す。つまり、印加電圧を変化すること
によって、安定点を低電圧側安定点S1又は高電圧側安
定点S2に制御することができる。
The optical semiconductor memory device described in Japanese Patent Application No. 7-65493 has a low voltage side stable point at the intersection of the IV characteristic curve a of the tunnel diode and the load line c, as shown in FIG. A bistable state having S 1 and a high voltage side stable point S 2 is shown. That is, the stable point can be controlled to the low voltage side stable point S 1 or the high voltage side stable point S 2 by changing the applied voltage.

【0005】また、トンネルダイオードに、その半導体
材料のエネルギーギャップ以上のエネルギーを有する光
を照射すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起されて電
子・正孔対が形成される。このとき、電子はn型層に、
正孔はp型層に蓄積されるため、光を照射しない場合と
比較してpn接合の電流が全体的に減少する(点線
b)。これにより、安定点が高電圧側に移動され、高電
圧側安定点S2だけを有する状態にすることができる。
When the tunnel diode is irradiated with light having an energy larger than the energy gap of the semiconductor material, electrons in the valence band are excited in the conduction band to form electron-hole pairs. At this time, the electrons are in the n-type layer,
Since holes are accumulated in the p-type layer, the current of the pn junction is reduced as a whole as compared with the case where light is not irradiated (dotted line b). As a result, the stable point is moved to the high voltage side, and only the high voltage side stable point S 2 can be obtained.

【0006】このように、印加電圧によって記憶情報の
書き換えを行うことができ、光を照射することによって
記憶情報をリセットできる光半導体記憶装置を構成する
ことができる。また、本願発明者等は、特願平7−65
493号明細書においてバイポーラトランジスタ型の素
子を用いた光半導体記憶装置についても開示している。
As described above, it is possible to construct an optical semiconductor memory device in which the stored information can be rewritten by the applied voltage and the stored information can be reset by irradiating light. In addition, the inventors of the present application filed Japanese Patent Application No. 7-65.
Japanese Patent No. 493 also discloses an optical semiconductor memory device using a bipolar transistor type element.

【0007】バイポーラトランジスタ型の素子を用いた
光半導体記憶装置は、pnp接合又はnpn接合により
形成され、全てのn層とp層は有効状態密度以上に不純
物がドープされている。以下に、図28に示すnpn接
合の素子を用いて説明する。高不純物濃度npn接合
は、左側のn型領域とp型領域とからなる負性抵抗特性
を有するトンネルダイオードと、p型領域と右側のn型
領域とからなるトンネルダイオードを直列に接続したも
のに相当する(図28(a))。ここで、右側のトンネ
ルダイオードは逆バイアスにより低抵抗化して使用する
ため、電流−電圧特性は、図28(b)中に曲線aで示
すように、左側のトンネルダイオードの特性とほぼ等し
くなる。
An optical semiconductor memory device using a bipolar transistor type element is formed by a pnp junction or an npn junction, and all n layers and p layers are doped with impurities more than the effective state density. Hereinafter, description will be made using an npn junction element shown in FIG. The high-impurity-concentration npn junction is formed by connecting a tunnel diode having a negative resistance characteristic composed of an n-type region and a p-type region on the left side and a tunnel diode composed of a p-type region and an n-type region on the right side in series. Corresponding (FIG. 28 (a)). Here, since the tunnel diode on the right side is used by lowering the resistance by reverse bias, the current-voltage characteristic is almost equal to the characteristic of the tunnel diode on the left side as shown by the curve a in FIG. 28 (b).

【0008】この構造に弱い光を照射し、左側のn型領
域に負の電圧を、右側のn型領域に正の電圧を印加する
と、この弱い光の照射によって発生する正孔がp型領域
に蓄積されて浮遊状態のp型領域のポテンシャルが下が
る。このため、左側のn型領域の伝導体がp型領域の禁
制帯に向かい合うことになり、左側のn型領域から電子
がトンネルによってp型領域に移動するのが困難とな
り、ピーク電流もバレー電流も減少する。
When this structure is irradiated with weak light and a negative voltage is applied to the left n-type region and a positive voltage is applied to the right n-type region, holes generated by this weak light irradiation generate p-type regions. And the potential of the floating p-type region is lowered. Therefore, the conductor in the left n-type region faces the forbidden band of the p-type region, and it becomes difficult for electrons to move from the left n-type region to the p-type region by tunneling, and the peak current and valley current Also decreases.

【0009】これにより、電流−電圧特性は図28
(b)中に曲線bで示すようになり、安定点は高電圧側
安定点S2のみの単安定状態となる。これに対し、この
構造に強い光を照射し、左側のn型領域に負の電圧を、
右側のn型領域に正の電圧を印加すると、この強い光の
照射によって発生する多量の正孔がp型領域に蓄積され
て浮遊状態のp型領域のレベルが著しく下がる。このた
め、左側のn型領域からp型領域の伝導帯の上を越えて
右側のn型領域に移動する電子が増加し、電流が全体的
に大きくなる。また、ピーク電流も増加するが、バレー
電流がこれよりさらに増加するため、負性抵抗が弱くな
る。
As a result, the current-voltage characteristic is shown in FIG.
The curve b is shown in (b), and the stable point is the monostable state of only the high voltage side stable point S 2 . On the other hand, by irradiating this structure with strong light, a negative voltage is applied to the left n-type region,
When a positive voltage is applied to the right n-type region, a large amount of holes generated by this strong light irradiation are accumulated in the p-type region, and the level of the floating p-type region is significantly lowered. Therefore, the number of electrons that move from the n-type region on the left side over the conduction band of the p-type region to the n-type region on the right side increases, and the current increases overall. Further, although the peak current also increases, the valley current further increases, so the negative resistance becomes weaker.

【0010】これにより、電流−電圧特性は図28
(b)中に曲線cで示すように変化し、安定点は高電圧
側安定点S1のみの単安定状態となる。なお、前記の弱
い光と強い光の中間的な強度の光を照射した場合には、
光を照射しない場合とほぼ等しい特性を示す。このよう
な特性を利用することにより、光の照射強度のみで双安
定状態を変化することが可能となる。即ち、光を照射し
ない状態で双安定状態を形成するようにしておけば、弱
い光を照射したときにはnpn接合のピーク電流が減少
するため安定点は高電圧側安定点S2に移動し、強い光
を照射したときには電流が増加するため安定点は低電圧
側安定点S1に移動する。
As a result, the current-voltage characteristic is shown in FIG.
It changes as shown by the curve c in (b), and the stable point becomes the monostable state of only the high voltage side stable point S 1 . In addition, in the case of irradiating light with an intensity intermediate between the above weak light and strong light,
It exhibits almost the same characteristics as when it is not irradiated with light. By utilizing such characteristics, the bistable state can be changed only by the irradiation intensity of light. In other words, if the bistable state is formed without light irradiation, the peak current of the npn junction decreases when weak light is irradiated, so that the stable point moves to the high voltage side stable point S 2 and becomes strong. When light is irradiated, the current increases and the stable point moves to the low voltage side stable point S 1 .

【0011】従って、光の照射強度を変化させることに
より安定点を移動させることができるため、電気的な信
号を用いずに、光信号のみにより記憶情報を変化させる
ことができる。また、光の照射強度には加算効果がある
ため、2方向(例えばX方向とY方向)からの光信号に
より安定点を変化させることもできる。さらに、中間の
強度の光を照射すれば、双安定状態を変化させずに光に
よるチャンネル電流の変化を検知することができるの
で、記憶情報を変化させずに記憶情報を読み出すことが
できる。
Therefore, since the stable point can be moved by changing the irradiation intensity of light, the stored information can be changed only by the optical signal without using the electric signal. Further, since the irradiation intensity of light has an addition effect, it is possible to change the stable point by optical signals from two directions (for example, the X direction and the Y direction). Furthermore, by irradiating light with an intermediate intensity, it is possible to detect the change in the channel current due to light without changing the bistable state, so that the stored information can be read out without changing the stored information.

【0012】ところで、量子効果デバイスは、微細化に
適した新たな素子として注目されており、種々の研究が
なされている。特に、量子ドットを用いた記憶装置には
高集積化が期待されている。本願発明者等は、量子ドッ
トの基底準位間の遷移がきわめて急峻な光吸収スペクト
ルをもつこと、光吸収により強い吸収飽和を起こすこと
により光による情報の書き込み、読み出しが可能である
こと、量子ドットの形状・サイズを変化させれば量子ド
ットごとの吸収波長が変化し、波長多重で情報を記憶で
きることを見いだし、量子ドットを用いた波長多重メモ
リを提案している。
By the way, the quantum effect device is drawing attention as a new element suitable for miniaturization, and various studies have been made. In particular, high integration is expected for storage devices using quantum dots. The inventors of the present application have found that the transition between the ground levels of quantum dots has an extremely sharp optical absorption spectrum, and that it is possible to write and read information by light by causing strong absorption saturation due to optical absorption. It was found that the absorption wavelength of each quantum dot changes if the shape and size of the dot are changed, and information can be stored by wavelength multiplexing, and a wavelength multiplexing memory using quantum dots is proposed.

【0013】量子ドットを用いた波長多重メモリは、例
えば図29に示すように、GaAs層からなる量子ドッ
ト46を挟んでAlGaAl層からなるバリア層48が
形成されており、その外には更にAlAs層からなる井
戸層50が形成されている。このような波長多重メモリ
に光を照射すると、GaAs層からなる量子ドットの基
底準位間のセパレーションエネルギーに相当した波長を
もつ光を照射したときにのみ、電子−正孔対が生成され
る。
In a wavelength division multiplexing memory using quantum dots, for example, as shown in FIG. 29, a barrier layer 48 made of an AlGaAl layer is formed with a quantum dot 46 made of a GaAs layer sandwiched between the quantum dots 46 and an AlAs layer. A well layer 50 composed of layers is formed. When such a wavelength multiplexing memory is irradiated with light, electron-hole pairs are generated only when light having a wavelength corresponding to the separation energy between the ground levels of the quantum dots formed of the GaAs layer is irradiated.

【0014】ここで、電子はトンネル確率が高いため、
このように生成された電子はバリア層をトンネルしてエ
ネルギーの低いAlAs層のXバンドまで遷移する。一
方、正孔はバリア層をトンネルしにくいため、正孔のみ
が量子ドットにとり残された状態となる。このように量
子ドットに正孔がとり残された状態では、同じ波長の光
が更に照射されても正孔が存在するために強い吸収飽和
を起こすので、光の吸収がほとんど起こらなくなる。
Since electrons have a high tunnel probability,
The electrons thus generated tunnel through the barrier layer and transit to the X band of the AlAs layer having a low energy. On the other hand, since holes do not easily tunnel through the barrier layer, only holes are left in the quantum dots. In the state where holes are left in the quantum dots as described above, even if light having the same wavelength is further irradiated, strong absorption saturation occurs due to the existence of holes, and therefore light absorption hardly occurs.

【0015】そこで、この現象を利用することにより、
光による情報の書き込み、読み出しが可能となる。ま
た、量子ドットのサイズ、即ち基底準位間のセパレーシ
ョンエネルギーESを変化させれば、ある波長に対応し
た情報を、極めて小さい領域に記憶することができる。
Therefore, by utilizing this phenomenon,
Information can be written and read by light. Further, by changing the size of the quantum dot, that is, the separation energy E S between the ground levels, information corresponding to a certain wavelength can be stored in an extremely small area.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の波長多重メモリでは、非発光再結合により記憶情報
の保持時間が決定されるため、保持時間が1ns程度と
短いといった問題があった。また、電子をトンネリング
によって他の井戸に移動した場合にも、熱励起により電
子が井戸に戻ってしまうため、300Kにおいて約1m
s程度の保持時間しか得られないといった問題があっ
た。
However, the conventional wavelength division multiplexing memory has a problem that the holding time of the stored information is as short as about 1 ns because the holding time of the stored information is determined by non-radiative recombination. Also, when electrons are moved to other wells by tunneling, the electrons return to the wells due to thermal excitation.
There is a problem that only a holding time of about s can be obtained.

【0017】また、吸収飽和を光で検知するためには、
発光を検知する受光素子が必要となるため、装置が大が
かりになるといった問題があった。また、特願平7−6
5493号明細書記載の光半導体記憶装置では、量子ド
ットを用いた波長多重メモリと比較すると大容量化が困
難であるといった問題があった。
Further, in order to detect absorption saturation by light,
Since a light receiving element for detecting light emission is required, there is a problem that the device becomes large in size. In addition, Japanese Patent Application No. 7-6
The optical semiconductor memory device described in Japanese Patent No. 5493 has a problem that it is difficult to increase the capacity as compared with a wavelength multiplexing memory using quantum dots.

【0018】本発明の目的は、比較的簡単な構造で、記
憶情報の保持時間が長く、大容量、且つ光信号で読み出
し書き込みができる光半導体記憶装置、情報書き込み方
法及び情報読み出し方法を提供することにある。また、
本発明の他の目的は、上記の光半導体記憶装置を用いた
光半導体論理回路装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide an optical semiconductor memory device having a relatively simple structure, a long storage time of stored information, a large capacity, and capable of reading and writing by an optical signal, an information writing method and an information reading method. Especially. Also,
Another object of the present invention is to provide an optical semiconductor logic circuit device using the above optical semiconductor memory device.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的は、第1導電型
の半導体よりなるコレクタ層と、前記コレクタ層に接合
され、第2導電型の半導体よりなるベース層と、前記ベ
ース層に接合され、第1導電型の半導体よりなるエミッ
タ層と、前記ベース層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達成され
る。
The above object is to join a collector layer made of a semiconductor of the first conductivity type to the collector layer, and a base layer made of a semiconductor of the second conductivity type to the base layer. An optical semiconductor memory device comprising: an emitter layer made of a first conductivity type semiconductor; and quantum dots formed in the base layer.

【0020】また、上記の光半導体記憶装置において、
前記ベース層には、サイズの異なる複数の量子ドットが
形成されていることが望ましい。また、上記の光半導体
記憶装置において、前記コレクタ層に接続された負荷素
子を更に有し、前記量子ドットにおいて双安定状態が形
成されていることが望ましい。
In the above optical semiconductor memory device,
It is desirable that a plurality of quantum dots having different sizes be formed on the base layer. Further, it is preferable that the optical semiconductor memory device further includes a load element connected to the collector layer, and a bistable state is formed in the quantum dot.

【0021】このように光半導体記憶装置を構成するこ
とにより、光の照射強度の違いにより記憶情報の書き込
みを行うことができ、記憶情報を破壊することなく記憶
情報を読み出すことができる光半導体記憶装置を構成す
ることができる。また、上記の光半導体記憶装置におい
て、前記コレクタ層に接合された、第1導電型の第1の
半導体層を更に有し、前記コレクタ層と、前記第1の半
導体層とからなるpn接合に流れる電流を前記量子ドッ
トの安定状態に応じて変化することにより、記憶情報を
電気的に読み出すことが望ましい。
By configuring the optical semiconductor memory device as described above, it is possible to write the stored information by the difference of the irradiation intensity of light, and it is possible to read the stored information without destroying the stored information. The device can be configured. Further, in the above optical semiconductor memory device, a first semiconductor layer of the first conductivity type, which is joined to the collector layer, is further provided, and a pn junction including the collector layer and the first semiconductor layer is formed. It is desirable to electrically read the stored information by changing the flowing current according to the stable state of the quantum dots.

【0022】また、上記の光半導体記憶装置において、
前記ベース層に、複数の前記エミッタ層が形成されてい
ることが望ましい。複数のエミッタ層を形成すれば、光
の照射強度の違いにより記憶情報の書き込みを行うこと
ができる。また、コレクタ電流を検出することにより、
記憶情報を電気的に読み出すことができる。
In the above optical semiconductor memory device,
It is preferable that a plurality of the emitter layers are formed on the base layer. By forming a plurality of emitter layers, it is possible to write stored information depending on the difference in light irradiation intensity. Also, by detecting the collector current,
The stored information can be read out electrically.

【0023】また、上記の光半導体記憶装置において、
複数の前記エミッタ層のうち、少なくともひとつのエミ
ッタ層に、第2導電型の第2の半導体層が接合されてお
り、前記第2の半導体層が接合された前記エミッタ層と
前記第2の半導体層とによる負性微分抵抗特性と、他の
エミッタ層と前記ベース層とによる負性微分抵抗特性と
により、前記量子ドットの双安定状態が形成されている
ことが望ましい。
In the above optical semiconductor memory device,
A second semiconductor layer of a second conductivity type is joined to at least one of the plurality of emitter layers, and the emitter layer and the second semiconductor to which the second semiconductor layer is joined. It is desirable that the bistable state of the quantum dot is formed by the negative differential resistance characteristic of the layer and the negative differential resistance characteristic of the other emitter layer and the base layer.

【0024】このように光半導体記憶装置を構成するこ
とにより、保持状態の消費電力を大幅に低減することが
できる。また、上記の光半導体記憶装置の情報書き込み
方法であって、前記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入射することにより、前記量
子ドットの安定状態を変化して前記量子ドットに情報を
書き込むことを特徴とする光半導体記憶装置の情報書き
込み方法によっても達成される。
By thus configuring the optical semiconductor memory device, it is possible to significantly reduce the power consumption in the holding state. Further, in the above information writing method for an optical semiconductor memory device, the stable state of the quantum dots is changed by injecting light having a wavelength corresponding to the separation energy of the quantum dots to write information to the quantum dots. It is also achieved by an information writing method of an optical semiconductor memory device characterized by writing.

【0025】また、上記の光半導体記憶装置の情報書き
込み方法において、前記量子ドットに、電子−正孔対の
生成により生成される電子の数よりも、前記エミッタ層
から前記ベース層の伝導帯を越えて前記コレクタ層に到
達する電子の数が支配的になる強い光を照射することに
より、前記エミッタ層−前記コレクタ層間に流れる電流
を増加させ、前記安定状態を低電圧側に変化することが
望ましい。
Further, in the above method for writing information in an optical semiconductor memory device, the conduction band from the emitter layer to the base layer is set in the quantum dots rather than the number of electrons generated by the generation of electron-hole pairs. By irradiating with strong light in which the number of electrons that reach the collector layer is dominant, the current flowing between the emitter layer and the collector layer can be increased to change the stable state to a low voltage side. desirable.

【0026】また、上記の光半導体記憶装置の情報書き
込み方法において、前記量子ドットに、電子−正孔対の
生成により生成される電子の数よりも、一のエミッタ層
から前記ベース層の伝導帯を越えて他のエミッタ層に到
達する電子の数が支配的になる強い光を照射することに
より、前記一のエミッタ層と前記他のエミッタ層に流れ
る電流を増加させ、前記安定状態を低電圧側に変化する
ことが望ましい。
In the above method for writing information in an optical semiconductor memory device, the conduction band from one emitter layer to the base layer is more than the number of electrons generated by the generation of electron-hole pairs in the quantum dots. By irradiating strong light in which the number of electrons that reach the other emitter layer is dominant, the current flowing through the one emitter layer and the other emitter layer is increased, and the stable state is reduced to a low voltage. It is desirable to change to the side.

【0027】また、上記の光半導体記憶装置の情報読み
出し方法であって、電子−正孔対の生成による電子の数
と、前記エミッタ層から前記ベース層の伝導帯を越えて
前記コレクタ層に到達する電子の数とがほぼ等しくなる
中間の光を照射し、照射した前記光の吸収を検知するこ
とにより記憶情報を読み出すことを特徴とする光半導体
記憶装置の情報読み出し方法によっても達成される。
Also, in the above-described method for reading information from an optical semiconductor memory device, the number of electrons due to the generation of electron-hole pairs and the collector layer from the emitter layer to the base layer are reached. It is also achieved by an information reading method of an optical semiconductor memory device, characterized in that the stored information is read by irradiating an intermediate light having a number of electrons substantially equal to each other and detecting absorption of the irradiated light.

【0028】また、上記の光半導体記憶装置の情報読み
出し方法であって、電子−正孔対の生成による電子の数
と、前記エミッタ層から前記ベース層の伝導帯を越えて
前記コレクタ層に到達する電子の数とがほぼ等しくなる
中間の光を照射し、前記第1の半導体層方向に流れる光
電流を測定することにより記憶情報を読み出すことを特
徴とする光半導体記憶装置の情報読み出し方法によって
も達成される。
Further, in the above-described method of reading information from an optical semiconductor memory device, the number of electrons due to generation of electron-hole pairs and the collector layer from the emitter layer to the base layer are reached. According to a method of reading information of an optical semiconductor memory device, the stored information is read by irradiating an intermediate light having a number of electrons substantially equal to each other and measuring a photocurrent flowing in the direction of the first semiconductor layer. Is also achieved.

【0029】また、上記の光半導体記憶装置の情報読み
出し方法であって、電子−正孔対の生成による電子の数
と、一のエミッタ層から前記ベース層の伝導帯を越えて
他のエミッタ層に到達する電子の数とがほぼ等しくなる
中間の光を照射し、照射した前記光の吸収を検知するこ
とにより記憶情報を読み出すことを特徴とする光半導体
記憶装置の情報読み出し方法によっても達成される。
Further, in the above-described method for reading information from the optical semiconductor memory device, the number of electrons due to generation of electron-hole pairs and the number of electrons from one emitter layer to the other conduction band of the base layer are exceeded. It is also achieved by an information reading method of an optical semiconductor memory device, characterized by irradiating an intermediate light having a number of electrons that reaches substantially the same number and reading the stored information by detecting absorption of the irradiated light. It

【0030】また、複数の電気配線からなる列アドレス
信号線群と、前記列アドレス信号線群に交差する方向に
設けられた複数の光配線からなる行アドレス信号線群
と、前記列アドレス信号線群と前記行アドレス信号線群
との各交差部に設けられた上記の光半導体記憶装置とを
有し、前記エミッタ層は、前記列アドレス信号線群に接
続されており、前記ベース層には、前記行アドレス信号
線群より発した光が照射されるようになっていることを
特徴とする光半導体記憶装置によっても達成される。
Further, a column address signal line group composed of a plurality of electric wirings, a row address signal line group composed of a plurality of optical wirings provided in a direction intersecting the column address signal line group, and the column address signal line. Group and the above-described optical semiconductor memory device provided at each intersection of the row address signal line group, the emitter layer is connected to the column address signal line group, and the base layer is The optical semiconductor memory device is also characterized in that the light emitted from the row address signal line group is irradiated.

【0031】また、複数の電気配線からなる列アドレス
信号線群と、前記列アドレス信号線群に交差する方向に
配された複数の光配線からなる行アドレス信号線群と、
前記列アドレス信号線群に平行に配された、複数の電気
配線からなる読み出し信号線群と、前記列アドレス信号
線群及び前記読み出し信号線群と前記行アドレス信号線
群との各交差部に設けられた上記の光半導体記憶装置と
を有し、前記エミッタ層は、前記列アドレス信号線群に
接続されており、前記ベース層には、前記行アドレス信
号線群より発した光が照射されるようになっており、前
記第1の半導体層は、前記読み出し信号線群に接続され
ていることを特徴とする光半導体記憶装置によっても達
成される。
A column address signal line group consisting of a plurality of electric wirings, and a row address signal line group consisting of a plurality of optical wirings arranged in a direction intersecting the column address signal line group,
A read signal line group composed of a plurality of electric wirings arranged in parallel to the column address signal line group, and each column address signal line group and each intersection of the read signal line group and the row address signal line group. The above-mentioned optical semiconductor memory device is provided, the emitter layer is connected to the column address signal line group, and the base layer is irradiated with light emitted from the row address signal line group. This is also achieved by an optical semiconductor memory device characterized in that the first semiconductor layer is connected to the read signal line group.

【0032】また、上記の光半導体記憶装置を有する光
半導体論理回路装置であって、前記光半導体記憶装置の
前記コレクタ層は負荷素子を介して第1の電源線に接続
され、前記光半導体記憶装置の一のエミッタ層は接地さ
れ、前記光半導体記憶装置の他のエミッタ層は第2の電
源線に接続されており、前記他のエミッタ層に照射する
2種類の光の強度に応じて記憶情報を変化し、その情報
を出力することを特徴とする光半導体論理回路装置によ
っても達成される。
Also, in an optical semiconductor logic circuit device having the above-mentioned optical semiconductor memory device, the collector layer of the optical semiconductor memory device is connected to a first power supply line via a load element, and the optical semiconductor memory device is provided. One emitter layer of the device is grounded, the other emitter layer of the optical semiconductor memory device is connected to a second power supply line, and storage is performed according to the intensity of two kinds of light with which the other emitter layer is irradiated. It is also achieved by an optical semiconductor logic circuit device characterized by changing information and outputting the information.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

[第1実施形態]本発明の第1実施形態による光半導体
記憶装置について、図1乃至図4を用いて説明する。図
1は本実施形態による光半導体記憶装置の構造を示す概
略断面図、図2は本実施形態による光半導体記憶装置の
エネルギーバンド構造を示す図、図3は本実施形態によ
る光半導体記憶装置における記憶情報の読み出し方法を
説明する図、図4はサイズの異なる量子ドットを形成す
る方法を示す概念図である。
[A First Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, FIG. 2 is a view showing the energy band structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 3 is a diagram showing the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. FIG. 4 is a diagram illustrating a method of reading stored information, and FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a method of forming quantum dots having different sizes.

【0034】本実施形態による光半導体記憶装置は、ベ
ース層に量子ドットを有するnpn型バイポーラトラン
ジスタにより形成されている。即ち、半絶縁性GaAs
基板10上には、厚さ300nm、不純物濃度5×10
18cm-3のn+−GaAsからなるコレクタコンタクト
層12が形成され、その上に厚さ300nm、不純物濃
度3×1015cm-3のn-−AlGaAsからなるコレ
クタ層14が形成され、その上に厚さ100nm、不純
物濃度5×10 19cm-3のp+−GaAsからなるベー
ス層16が形成され、その上に厚さ200nm、不純物
濃度1×1019cm-3のn−AlGaAsからなるエミ
ッタ層18が形成され、その上に厚さ150nm、不純
物濃度5×1019cm-3のn+−GaAsからなるエミ
ッタコンタクト層20が形成されている。コレクタコン
タクト層12及びエミッタコンタクト層20上には、そ
れぞれコレクタ電極22及びエミッタ電極24が形成さ
れている。
The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is
Npn bipolar transistor having quantum dots in the source layer
It is formed by a transistor. That is, semi-insulating GaAs
On the substrate 10, the thickness is 300 nm and the impurity concentration is 5 × 10 5.
18cm-3N+-Collector contact made of GaAs
A layer 12 is formed, on which a thickness of 300 nm, impurity concentration
3 × 10Fifteencm-3N--This is made of AlGaAs
Layer 14 is formed and has a thickness of 100 nm and is impure
Material concentration 5 × 10 19cm-3P+-Base made of GaAs
Layer 16 is formed, on which a thickness of 200 nm, impurities
Concentration 1 × 1019cm-3Emi consisting of n-AlGaAs
Is formed on top of it, with a thickness of 150 nm.
Material concentration 5 × 1019cm-3N+-Emi made of GaAs
The contact contact layer 20 is formed. Collector con
On the tact layer 12 and the emitter contact layer 20, the
A collector electrode 22 and an emitter electrode 24 are formed respectively.
Have been.

【0035】ここで、通常のヘテロバイポーラトランジ
スタと異なる点は、p+−GaAsからなるベース層1
6中に、サイズの異なる複数の量子ドット26が形成さ
れていることにある。なお、本願明細書では、サイズの
異なる量子ドット26を視覚的に示すため、異なる大き
さの○印により量子ドット26を表現している。量子ド
ット26がベース層16に形成されたヘテロバイポーラ
トランジスタは、図2に示すエネルギーバンド構造を有
している。即ち、通常のnpn接合におけるベース層1
6に、ベース層16のエネルギーバンドギャップよりバ
ンドギャップが狭く、基底準位間のセパレーションエネ
ルギーがESである量子ドット26が形成されている。
なお、図示するエネルギーバンド構造は、ある一つの量
子ドットについて示したものであり、この他に、異なる
セパレーションエネルギーESをもつ量子ドットが局在
している。
Here, the point different from the ordinary hetero bipolar transistor is that the base layer 1 made of p + -GaAs is used.
6 has a plurality of quantum dots 26 of different sizes formed therein. In the specification of the present application, the quantum dots 26 having different sizes are visually represented, so that the quantum dots 26 are represented by different sizes of circles. The hetero-bipolar transistor in which the quantum dots 26 are formed in the base layer 16 has the energy band structure shown in FIG. That is, the base layer 1 in a normal npn junction
6, quantum dots 26 having a band gap narrower than the energy band gap of the base layer 16 and a separation energy between ground levels of E S are formed.
Note that the energy band structure shown is for one quantum dot, and in addition to this, quantum dots having different separation energies E S are localized.

【0036】次に、本実施形態による光半導体記憶装置
の動作について説明する。図2に示す光半導体記憶装置
に光を入射すると、基底準位間のセパレーションエネル
ギーESに対応した波長の光が入射したときにのみ光吸
収が生じ、電子−正孔対が生成される。このように生成
された量子ドット26中の電子は、より安定な準位であ
るエミッタ層18又はコレクタ層14に移動する。一
方、生成された正孔は量子ドット26中で最も安定な準
位を占有しており、量子ドット26の外側に出るために
はエネルギーを必要とするため、結果として正孔のみが
量子ドット26中にとり残された状態となる。このよう
にして、光の入射により量子ドット26に情報を書き込
むことができる。なお、量子ドット26に正孔がとり残
された状態では、同じ波長の光が更に照射されても、既
に正孔が存在するために吸収飽和を起こすので、光の吸
収がほとんど起こらなくなる。
Next, the operation of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained. When light is incident on the optical semiconductor memory device shown in FIG. 2, light absorption occurs only when light having a wavelength corresponding to the separation energy E S between the ground levels is incident, and an electron-hole pair is generated. The electrons in the quantum dots 26 thus generated move to the more stable level of the emitter layer 18 or the collector layer 14. On the other hand, the generated holes occupy the most stable level in the quantum dot 26, and energy is required to go out of the quantum dot 26. As a result, only holes are generated in the quantum dot 26. It will be left in the inside. In this way, information can be written in the quantum dots 26 by the incidence of light. In the state where holes are left in the quantum dots 26, even if light of the same wavelength is further irradiated, absorption saturation occurs because holes already exist, and therefore light absorption hardly occurs.

【0037】同様にして、異なる波長の光を入射すれ
ば、その波長に対応した別の量子ドットに情報を書き込
むことができる。なお、通常のヘテロバイポーラトラン
ジスタでは、ベース層のエネルギーバンドギャップであ
る1.43eV以上のエネルギーを有する光を照射する
と、光吸収により価電子帯の電子が伝導帯に励起されて
電子−正孔対が生成されるので、波長多重メモリを形成
することはできない。
Similarly, when light of different wavelengths is incident, information can be written in another quantum dot corresponding to that wavelength. In a normal hetero-bipolar transistor, when light having an energy of 1.43 eV or more, which is the energy band gap of the base layer, is irradiated, electrons in the valence band are excited into the conduction band by light absorption, and the electron-hole pair is excited. Therefore, it is not possible to form a wavelength division multiplexing memory.

【0038】このようにして記憶した量子ドット26に
光を入射し、入射する光の波長をスキャンすると、図3
に示すように、情報が書き込まれた量子ドットに対応す
る波長のみ光の吸収飽和が生ずる。従って、量子ドット
における光吸収を検出することにより記憶情報として読
み出すことができる。なお、本実施形態では、npn接
合素子のベース層16中に量子ドット26を設けたこと
により、光吸収によって生成してエミッタ層18又はコ
レクタ層14に移動した電子が量子ドット26に戻りに
くくなるので、図29に示す従来の光半導体記憶装置と
比較して保持時間を長くすることができる。
When light is incident on the quantum dots 26 stored in this way and the wavelength of the incident light is scanned, the result shown in FIG.
As shown in, light absorption saturation occurs only at the wavelength corresponding to the quantum dot in which information is written. Therefore, it is possible to read out as stored information by detecting light absorption in the quantum dots. In this embodiment, since the quantum dots 26 are provided in the base layer 16 of the npn junction element, the electrons generated by light absorption and moved to the emitter layer 18 or the collector layer 14 are less likely to return to the quantum dots 26. Therefore, the holding time can be lengthened as compared with the conventional optical semiconductor memory device shown in FIG.

【0039】このように、本実施形態によれば、npn
接合素子のp型層に量子ドットを設けることにより光半
導体記憶装置を形成したので、量子ドット中に生成され
た正孔が再結合されにくく、記憶の保持時間を長くする
ことができる。また、量子ドットのサイズは非常に小さ
いので、通常のヘテロバイポーラトランジスタ構造(1
×1μm、厚さ0.1μm程度)の中に、5万個程度の
量子ドットを形成でき、非常に大きな記憶容量を実現す
ることができる。
As described above, according to this embodiment, npn
Since the optical semiconductor memory device is formed by providing the quantum dots in the p-type layer of the junction element, the holes generated in the quantum dots are less likely to be recombined, and the storage retention time can be lengthened. In addition, the size of the quantum dots is very small, so the usual hetero-bipolar transistor structure (1
× 1 μm, thickness about 0.1 μm), about 50,000 quantum dots can be formed, and a very large storage capacity can be realized.

【0040】なお、上記実施形態では、npn接合素子
のp型層に量子ドットを設けたが、量子ドット中で生成
された電子が、pn接合のエネルギー差によって量子ド
ットに戻りにくくなればよいので、少なくともpn接合
が一つ存在すれば上記効果を得ることができる。また、
本実施形態では、ベース層内にサイズの異なる複数の量
子ドットを形成したが、例えば、表面に微傾斜をもつG
aAs基板上にInAs歪み層を数原子層成長すること
により形成することができる(例えば、J.Y.Marchin et
al., "Photoluminescence of Single InAs Quantum Do
ts Obtained by Self-OrganizedGrowth on GaAs", Phy
s. Rev. Lett., Vol.73 (1994) pp.716-719参照)。こ
の方法により形成した量子ドットは、図4に示すよう
に、微傾斜のエッジ部においてサイズが異なるため、本
発明のベース層の成長方法としてそのまま適用すること
ができる。
In the above embodiment, the quantum dots are provided in the p-type layer of the npn junction element, but it is sufficient that the electrons generated in the quantum dots do not easily return to the quantum dots due to the energy difference of the pn junction. If there is at least one pn junction, the above effect can be obtained. Also,
In this embodiment, a plurality of quantum dots having different sizes are formed in the base layer.
The InAs strained layer can be formed by growing several atomic layers on the aAs substrate (for example, JY Marchin et al.
al., "Photoluminescence of Single InAs Quantum Do
ts Obtained by Self-OrganizedGrowth on GaAs ", Phy
s. Rev. Lett., Vol.73 (1994) pp.716-719). As shown in FIG. 4, the quantum dots formed by this method have different sizes at the slightly inclined edge portions, and therefore can be applied as they are as the base layer growth method of the present invention.

【0041】また、量子ドットのサイズや形状は、成長
温度、InとAsとのモル比などによっても自由に制御
できるので、吸収飽和の起こる光の波長を量子ドット間
で異なるものにすることができる。 [第2実施形態]本発明の第2実施形態による光半導体
記憶装置について、図5乃至図9を用いて説明する。な
お、第1実施形態による光半導体記憶装置と同一の構成
要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にす
る。
Since the size and shape of the quantum dots can be freely controlled by the growth temperature, the molar ratio of In and As, etc., the wavelength of light at which absorption saturation occurs can be made different among the quantum dots. it can. A Second Embodiment The optical semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first embodiment are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0042】図5は本実施形態による光半導体記憶装置
の原理を説明するエネルギーバンド図、図6は本実施形
態による光半導体記憶装置における電流−電圧特性を示
すグラフ、図7は本実施形態による光半導体装置の構造
を示す概略断面図、図8は図7に示す光半導体記憶装置
における電流−電圧特性を示すグラフ、図9は本実施形
態の変形例による光半導体記憶装置の構造を示す概略断
面図である。
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining the principle of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 7 is according to the present embodiment. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the optical semiconductor device, FIG. 8 is a graph showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device shown in FIG. 7, and FIG. 9 is a schematic view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the modification of the present embodiment. FIG.

【0043】本実施形態による光半導体記憶装置は、第
1実施形態による光半導体記憶装置において、n層及び
p層の不純物が有効状態密度以上にドープされているこ
とに特徴がある。即ち、図5に示すように、ベース層に
量子ドットが形成されたnpn接合素子からなる光半導
体記憶装置において、n型層のフェルミ準位が伝導帯中
に位置し、p型層のフェルミ準位Efが価電子帯中に位
置している。
The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that, in the optical semiconductor memory device according to the first embodiment, the impurities of the n layer and the p layer are doped to have an effective state density or more. That is, as shown in FIG. 5, in an optical semiconductor memory device including an npn junction element in which quantum dots are formed in a base layer, the Fermi level of the n-type layer is located in the conduction band and the Fermi level of the p-type layer is located. The position E f is located in the valence band.

【0044】次に、本実施形態による光半導体記憶装置
の原理を説明する。各半導体層を有効状態密度以上にド
ープすると、エミッタ層18の伝導帯の電子がベース層
16の価電子帯に、ベース層の価電子帯の電子がコレク
タ層14の伝導帯に、バンド間トンネリングし易くな
る。特に、エミッタ層18からベース層16への電子の
トンネル現象は、いわゆるエサキトンネルと呼ばれるも
のであり、負性微分抵抗特性(以下NDR特性と呼ぶ)
を有している。
Next, the principle of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained. When each semiconductor layer is doped to have an effective density of states or more, electrons in the conduction band of the emitter layer 18 are in the valence band of the base layer 16, electrons in the valence band of the base layer are in the conduction band of the collector layer 14, and band-to-band tunneling is performed. Easier to do. Particularly, the tunneling phenomenon of electrons from the emitter layer 18 to the base layer 16 is what is called an Esaki tunnel, and has a negative differential resistance characteristic (hereinafter referred to as NDR characteristic).
have.

【0045】また、npn層が全て高濃度にドープされ
ているため、エミッタ層18の伝導帯からベース層16
の価電子帯へのトンネリングに引き続き、ベース層16
の価電子帯からコレクタ層14の伝導帯へのバンド間ト
ンネル(ツェナートンネル)が生じるため、NDR特性
がエミッタ−コレクタ間においても維持される。エミッ
タ−コレクタ間の電流−電圧特性は、図6に実線で示す
ように、ある電圧範囲内においてパルス的に増加するN
DR特性となる。このように電流−電圧特性がパルス的
になるのは、エミッタ層18から注入された電子がベー
ス層16を通過する際には、電子は量子ドット26内の
正孔準位を介さなければならないからである。
Further, since the npn layers are all heavily doped, the conduction band of the emitter layer 18 causes the base layer 16 to move.
Subsequent to tunneling to the valence band of the base layer 16
Since an interband tunnel (Zener tunnel) occurs from the valence band of the above to the conduction band of the collector layer 14, the NDR characteristic is maintained even between the emitter and the collector. The current-voltage characteristic between the emitter and the collector has a pulse-like increase N within a certain voltage range as shown by the solid line in FIG.
It has a DR characteristic. As described above, the current-voltage characteristic becomes pulse-like, when the electrons injected from the emitter layer 18 pass through the base layer 16, the electrons must pass through the hole level in the quantum dots 26. Because.

【0046】即ち、エミッタ−コレクタ間の電圧VCE
低く、注入された電子が量子ドット26内の正孔準位以
下のエネルギーしかもっていない場合には電流ICは流
れない(領域I)。エミッタ−コレクタ間の電圧VCE
増加し、注入された電子が正孔準位以上のエネルギーを
もっている場合には、注入された電子が量子ドット26
内の正孔準位を介してベース層16を通過するが、量子
ドット26内の準位を占有できる正孔はスピンを考慮し
ても多くて2つであるため、所定の値以上の電流は流れ
ない(領域II)。更にエミッタ−コレクタ間の電圧VCE
が増加すると、通常のツェナーダイオードの場合と同様
に、エミッタ層18の価電子帯がベース層16の禁制帯
と向かい合いトンネル条件を満たさなくなるため電流が
流れなくなる(領域III)。このようにしてNDR特性
が現れる。
That is, when the emitter-collector voltage V CE is low and the injected electrons have energy less than the hole level in the quantum dot 26, the current I C does not flow (region I). . When the voltage V CE between the emitter and the collector increases and the injected electrons have the energy of the hole level or higher, the injected electrons are transferred to the quantum dots 26.
Although the number of holes that can pass through the base layer 16 via the hole level in the quantum dot 26 is at most two, even if the spin is taken into consideration, a current of a predetermined value or more can be obtained. Does not flow (Region II). Furthermore, the voltage between the emitter and collector V CE
Is increased, the valence band of the emitter layer 18 faces the forbidden band of the base layer 16 and the tunnel condition is not satisfied, so that no current flows (region III), as in the case of a normal Zener diode. In this way, the NDR characteristic appears.

【0047】この構造に、その半導体材料のエネルギー
ギャップ以上のエネルギーを有する強度の弱い光を照射
すると、電子−正孔対が生成され、電子はエミッタ層1
8側に、正孔はベース層16側に移動するため電流は減
少する(図6点線)。正孔は電子と比較してベース層1
6中からトンネリングにより外にでにくいので、最終的
には量子ドット26内に正孔が1個残される。
When this structure is irradiated with weak light having an energy larger than the energy gap of the semiconductor material, electron-hole pairs are generated, and the electrons are emitted from the emitter layer 1.
8 moves to the base layer 16 side, so that the current decreases (dotted line in FIG. 6). Holes are base layer 1 compared to electrons
Since it is difficult to get out of 6 through tunneling, one hole is finally left in the quantum dot 26.

【0048】その半導体材料のエネルギーギャップ以上
のエネルギーを有する強度の強い光を照射すると、ベー
ス層16の価電子帯に更に正孔が生成されてベース層1
6のポテンシャルが低くなるため、エミッタ層18から
ベース層16の伝導帯を越えて電子が移動できるように
なり、コレクタ電流が増加する(図6一点鎖線)。これ
ら弱い光と強い光の中間程度の強度の光を入射した場合
には、電流の減少分と増加分が打ち消しあい、光を照射
しないときとほぼ同等の電流−電圧特性となる。
When intense light having an energy larger than the energy gap of the semiconductor material is irradiated, holes are further generated in the valence band of the base layer 16 and the base layer 1
Since the potential of 6 becomes low, electrons can move from the emitter layer 18 over the conduction band of the base layer 16 and the collector current increases (dotted line in FIG. 6). When light having an intensity of an intermediate level between the weak light and the strong light is incident, the decrease amount and the increase amount of the current cancel each other out, and the current-voltage characteristics are almost the same as those when the light is not irradiated.

【0049】なお、上記のnpn構造を第1実施形態に
よる光半導体記憶装置に適用すれば、エミッタ−コレク
タ間に電圧を印加することによりエミッタ層18の伝導
帯からベース層16の価電子帯の基底準位に向けて電子
を注入することができるので、ホールバーニングにより
形成された正孔を、注入した電子により中和・消滅する
ことができる。つまり、電子の注入により記憶情報を消
去することができる。
When the above npn structure is applied to the optical semiconductor memory device according to the first embodiment, by applying a voltage between the emitter and the collector, the conduction band of the emitter layer 18 changes to the valence band of the base layer 16. Since electrons can be injected toward the ground level, holes formed by hole burning can be neutralized and eliminated by the injected electrons. That is, the stored information can be erased by the injection of electrons.

【0050】次に、本実施形態による光半導体記憶装置
について説明する。本実施形態は、上述した特性を利用
して双安定状態を形成することにより光半導体記憶装置
を構成するものであり、ベース層に量子ドットを有する
npn型バイポーラトランジスタと、それに直列接続さ
れた負荷素子により構成されている。
Next, the optical semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained. The present embodiment constitutes an optical semiconductor memory device by forming a bistable state by using the above-mentioned characteristics, and includes an npn-type bipolar transistor having a quantum dot in a base layer and a load connected in series thereto. It is composed of elements.

【0051】即ち、半絶縁性GaAs基板10上には、
厚さ100nm、不純物濃度5×1017cm-3のn−G
aAsからなるチャネル層28が形成され、その上に厚
さ200nm、不純物濃度1×1019cm-3のn+−G
aAsからなるコレクタ層14が形成され、その上に厚
さ100nm、不純物濃度5×1019cm-3のp+−G
aAsからなるベース層16が形成され、その上に厚さ
200nm、不純物濃度1×1019cm-3のn+−Ga
Asからなるエミッタ層18が形成されている。チャネ
ル層28上には、更に抵抗層30が形成されている。抵
抗層30及びエミッタ層18上には、それぞれ電極32
及びエミッタ電極24が形成されている。p+−GaA
sからなるベース層16中には、サイズの異なる複数の
量子ドット26が形成されている。
That is, on the semi-insulating GaAs substrate 10,
N-G with a thickness of 100 nm and an impurity concentration of 5 × 10 17 cm −3
A channel layer 28 made of aAs is formed on the n + -G layer having a thickness of 200 nm and an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3.
A collector layer 14 made of aAs is formed on the p + -G having a thickness of 100 nm and an impurity concentration of 5 × 10 19 cm −3.
A base layer 16 made of aAs is formed, and an n + -Ga layer having a thickness of 200 nm and an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 is formed on the base layer 16.
An emitter layer 18 made of As is formed. A resistance layer 30 is further formed on the channel layer 28. An electrode 32 is formed on each of the resistance layer 30 and the emitter layer 18.
And an emitter electrode 24 are formed. p + -GaA
In the base layer 16 made of s, a plurality of quantum dots 26 having different sizes are formed.

【0052】ここで、図7に示す光半導体記憶装置のエ
ミッタ電極24−電極32間に電圧を印加すると、電流
−電圧特性は図8に示すようになる。即ち、光を照射し
ない場合には、実線aと負荷直線dとが交わる低電圧側
安定点S1及び高電圧側安定点S2を有する双安定状態が
形成されている。この構造に弱い光を照射すると、エミ
ッタ−コレクタ間電流は減少して点線bに示すようにな
り、負荷直線dとの交点が高電圧側安定点S2′のみの
安定状態となる。この状態は光を遮断しても変化せず、
高電圧側で安定状態を保つ。
Here, when a voltage is applied between the emitter electrode 24 and the electrode 32 of the optical semiconductor memory device shown in FIG. 7, the current-voltage characteristic becomes as shown in FIG. That is, when light is not emitted, a bistable state having a low voltage side stable point S 1 and a high voltage side stable point S 2 where the solid line a and the load straight line d intersect is formed. When weak light is radiated to this structure, the emitter-collector current decreases and becomes as shown by the dotted line b, and the intersection with the load line d becomes the stable state only at the high voltage side stable point S 2 ′. This state does not change even if the light is blocked,
Maintain a stable state on the high voltage side.

【0053】強い光を照射すると、エミッタ−コレクタ
間電流は増加して一点鎖線cに示すようになり、負荷直
線dとの交点が低電圧側安定点S1のみの安定状態とな
る。この状態は光を遮断しても変化せず、低電圧側で安
定状態を保つ。このように、弱い光又は強い光を照射す
ることにより、高電圧側安定点S2又は低電圧側安定点
1の何れかに情報を書き込むことができる。
When strong light is applied, the emitter-collector current increases and becomes as shown by the alternate long and short dash line c, and the intersection with the load straight line d becomes a stable state only at the low voltage side stable point S 1 . This state does not change even if light is blocked, and maintains a stable state on the low voltage side. In this way, by irradiating weak light or strong light, information can be written at either the high voltage side stable point S 2 or the low voltage side stable point S 1 .

【0054】一方、これら弱い光と強い光の中間程度の
強度の光を入射した場合には、電流の減少分と増加分が
打ち消しあい双安定状態が保たれる。このとき、高電圧
側安定点S2に記憶情報が書き込まれていた場合には、
量子ドット26には正孔が取り込まれ、電子はない状態
であるので、吸収飽和によりその波長での光吸収率は減
少している。しかもこの場合には、エミッタ層18の伝
導帯からベース層16の価電子帯への電子トンネルによ
る正孔との中和は起こらず、また、読み出し時の光の照
射によって正孔が消滅することもないので、正孔は長い
時間保持されうる。
On the other hand, when light with an intensity of an intermediate level between the weak light and the strong light is made incident, the decrease amount and the increase amount of the current cancel each other and the bistable state is maintained. At this time, if the stored information is written in the high voltage side stable point S 2 ,
Since holes are taken into the quantum dots 26 and there are no electrons, the light absorption rate at that wavelength decreases due to absorption saturation. Moreover, in this case, neutralization with holes due to electron tunnels from the conduction band of the emitter layer 18 to the valence band of the base layer 16 does not occur, and the holes disappear by irradiation with light at the time of reading. Therefore, the holes can be retained for a long time.

【0055】低電圧側安定点S1に記憶情報が書き込ま
れていた場合には、正孔は量子ドット26中に存在しに
くい状態であり、なおかつエミッタの伝導帯から価電子
帯への電子のトンネルにより正孔は電子と中和される条
件にあるので吸収飽和は起こらず、また、読み出し時に
正孔が生成されてもすぐに中和されるので、この状態が
長く保持されうる。
When the stored information is written at the stable point S 1 on the low voltage side, holes are unlikely to be present in the quantum dots 26, and the electrons from the conduction band to the valence band of the emitter are kept. Since the holes are in the condition of being neutralized with the electrons by the tunnel, absorption saturation does not occur, and even if holes are generated at the time of reading, they are immediately neutralized, and this state can be maintained for a long time.

【0056】従って、弱い光と強い光の中間程度の強度
の光を入射し、光の吸収を測定するか、又は電流の変化
を測定することにより記憶情報を破壊することなく記憶
情報を読み出すことができる。なお、本実施形態におい
て、図8に示す電流−電圧特性が得られるのは、入射す
る光の波長が量子ドットのセパレーションエネルギーE
Sに対応しているときのみであるので、サイズの異なる
複数の量子ドットをベース層に設けることにより、異な
る波長域において異なる情報を記憶できる波長多重メモ
リを形成することができる。
Therefore, light having an intermediate intensity between weak light and strong light is made incident and the absorption of the light is measured or the change in current is measured to read the stored information without destroying the stored information. You can In the present embodiment, the current-voltage characteristic shown in FIG. 8 is obtained because the wavelength of incident light is the separation energy E of the quantum dots.
Since it corresponds only to S , by providing a plurality of quantum dots having different sizes in the base layer, it is possible to form a wavelength multiplexing memory capable of storing different information in different wavelength regions.

【0057】即ち、照射光の波長によりサイズの異なる
複数の量子ドットの中から所定の量子ドットを選択し、
光の照射強度により記憶情報の書き込みを行うことがで
きる。また、中間強度の光を照射すれば、記憶情報を破
壊することなく記憶情報を読み出すことができる。この
ように、本実施形態によれば、p型層に量子ドットが形
成され、NDR特性を有するpn接合素子により光半導
体記憶装置を構成したので、光の照射強度の違いにより
記憶情報の書き込みを行うことができる。また、記憶情
報を破壊することなく記憶情報を読み出すことができ
る。
That is, a predetermined quantum dot is selected from a plurality of quantum dots having different sizes depending on the wavelength of irradiation light,
Memory information can be written by the irradiation intensity of light. Further, by irradiating light of intermediate intensity, the stored information can be read without destroying the stored information. As described above, according to the present embodiment, since the quantum dot is formed in the p-type layer and the optical semiconductor memory device is configured by the pn junction element having the NDR characteristic, it is possible to write the memory information due to the difference in the light irradiation intensity. It can be carried out. Further, the stored information can be read without destroying the stored information.

【0058】なお、上記実施形態では、負荷素子として
オーム性抵抗素子を設けたが、他の負荷素子であっても
よい。例えば、トンネルダイオード、オーム性抵抗素
子、ショットキーダイオード、定電流源、電界効果トラ
ンジスタなどを適用することができる。また、図9に示
すように、コレクタ層14の直下に、p型層34とn型
層36よりなるpn接合を負荷素子として設け、npn
pn接合構造を形成してもよい。この構造においてベー
ス層16に量子ドット26を形成すれば、コレクタ層1
4の電位が高電圧状態と低電圧状態との2通りの状態で
安定状態を有する双安定状態を形成することができる。
なお、負荷素子がNDR特性を有していれば、2つのN
DR特性により双安定状態が形成されることになる。2
つのNDR特性により双安定状態が形成される場合につ
いては、第5の実施形態において詳述する。 [第3実施形態]本発明の第3実施形態による光半導体
記憶装置について図10及び図11を用いて説明する。
なお、第1及び第2実施形態による光半導体記憶装置と
同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は
簡略にする。
Although the ohmic resistance element is provided as the load element in the above embodiment, another load element may be used. For example, a tunnel diode, an ohmic resistance element, a Schottky diode, a constant current source, a field effect transistor, or the like can be applied. Further, as shown in FIG. 9, a pn junction composed of a p-type layer 34 and an n-type layer 36 is provided as a load element immediately below the collector layer 14, and npn
A pn junction structure may be formed. In this structure, if the quantum dots 26 are formed in the base layer 16, the collector layer 1
It is possible to form a bistable state in which the potential of 4 has a stable state in two states of a high voltage state and a low voltage state.
If the load element has the NDR characteristic, the two N
A bistable state is formed by the DR characteristic. Two
The case where a bistable state is formed by two NDR characteristics will be described in detail in the fifth embodiment. [A Third Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS.
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first and second embodiments are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0059】図10は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図、図11は本実施形態の変形
例による光半導体記憶装置の構造を示す概略断面図であ
る。本実施形態による光半導体記憶装置は、図7に示す
第2実施形態による光半導体記憶装置のコレクタ層側
に、p型層を更に設けたことに特徴がある。即ち、図1
0に示すように、半絶縁性GaAs基板10上には、p
−GaAsからなるp型層34が形成され、その上にn
+−GaAsからなるコレクタ層14が形成され、その
上にp+−GaAsからなるベース層16が形成され、
その上にn+−GaAsからなるエミッタ層18が形成
されている。p型層34上にはさらに、抵抗層30が形
成されている。抵抗層30、p型層34及びエミッタ層
18上には、それぞれ電極32、コレクタ電極22、及
びエミッタ電極24が形成されている。p+−GaAs
からなるベース層16中には、サイズの異なる複数の量
子ドット26が形成されている。
FIG. 10 is a schematic sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 11 is a schematic sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to a modification of the present embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that a p-type layer is further provided on the collector layer side of the optical semiconductor memory device according to the second embodiment shown in FIG. That is, FIG.
As shown in 0, on the semi-insulating GaAs substrate 10, p
A p-type layer 34 made of -GaAs is formed and n is formed thereon.
A collector layer 14 made of + -GaAs is formed, and a base layer 16 made of p + -GaAs is formed thereon.
An emitter layer 18 made of n + -GaAs is formed thereon. The resistance layer 30 is further formed on the p-type layer 34. An electrode 32, a collector electrode 22, and an emitter electrode 24 are formed on the resistance layer 30, the p-type layer 34, and the emitter layer 18, respectively. p + -GaAs
A plurality of quantum dots 26 having different sizes are formed in the base layer 16 made of.

【0060】ここで、本実施形態ではコレクタ層14直
下にp型層34を形成しているが、このようにp型層3
4を設けることにより記憶情報の読み出しを電気的に行
うことを容易にしている。即ち、コレクタ層14に中間
の強度の光を照射すると、ベース層16のポテンシャル
の高低に対応して、低い場合(高電圧側安定点S2側に
保持されている場合)には光が透過するので、p型層3
4に向かって光電流が流れる。従って、p型層34に接
続されたコレクタ電極22より電流を測定すれば、光電
流が検出されたときには高電圧側安定点S2に記憶情報
が保持されていることが判る。このようにして記憶情報
を電気的に読み出すことができる。
Here, in the present embodiment, the p-type layer 34 is formed immediately below the collector layer 14, but as described above, the p-type layer 3 is formed.
The provision of 4 facilitates electrically reading the stored information. That is, when the collector layer 14 is irradiated with light having an intermediate intensity, the light is transmitted when the potential of the base layer 16 is low (when it is held at the high voltage side stable point S 2 side). The p-type layer 3
A photocurrent flows toward 4. Therefore, when the current is measured from the collector electrode 22 connected to the p-type layer 34, it is found that the stored information is held at the high voltage side stable point S 2 when the photocurrent is detected. In this way, the stored information can be read out electrically.

【0061】このように、本実施形態によれば、コレク
タ層直下にp型層を設けることにより記憶情報に応じた
光電流が検出できるので、記憶情報の読み出しを電気的
に行うことができる。なお、図9に示す第2実施形態の
変形例による光半導体記憶装置において、コレクタ層1
4上にp型層38を設け、コレクタ電極22を形成して
もよい(図11)。このようにp型層38を設けること
により、図9に示す光半導体記憶装置においても、電気
的に記憶情報を読み出すことができる。 [第4実施形態]本発明の第4実施形態による光半導体
記憶装置について図12乃至図14を用いて説明する。
なお、第1乃至第3実施形態による光半導体記憶装置と
同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は
簡略にする。
As described above, according to the present embodiment, since the photocurrent corresponding to the stored information can be detected by providing the p-type layer immediately below the collector layer, the stored information can be read out electrically. In the optical semiconductor memory device according to the modification of the second embodiment shown in FIG. 9, the collector layer 1
The p-type layer 38 may be provided on the cathode 4 to form the collector electrode 22 (FIG. 11). By thus providing the p-type layer 38, the stored information can be electrically read out also in the optical semiconductor memory device shown in FIG. [A Fourth Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS.
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first to third embodiments are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0062】図12は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図、図13は本実施形態による
光半導体記憶装置における電流−電圧特性を示す図、図
14本実施形態による光半導体記憶装置の読み出し原理
を説明する図、図15は本実施形態の変形例による光半
導体記憶装置の構造を示す概略断面図である。本実施形
態による光半導体記憶装置は、第2実施形態による光半
導体記憶装置にエミッタ電極を複数設けた構造、いわゆ
るマルチエミッタ構造にしたことに特徴がある。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, FIG. 13 is a diagram showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 14 is an optical semiconductor according to the present embodiment. FIG. 15 is a diagram for explaining the read principle of the memory device, and FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a modification of this embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that the optical semiconductor memory device according to the second embodiment has a so-called multi-emitter structure in which a plurality of emitter electrodes are provided.

【0063】即ち、図12に示すように、半絶縁性Ga
As基板10上には、n+−GaAsからなるコレクタ
コンタクト層12が形成され、その上にn+−GaAs
からなるコレクタ層14が形成され、その上にp+−G
aAsからなるベース層16が形成され、その上にn+
−GaAsからなるエミッタ層18aとエミッタ層18
bとが形成され、その上にはそれぞれエミッタコンタク
ト層20a、20bが形成されている。コレクタコンタ
クト層12、エミッタコンタクト層18a、18b上に
は、それぞれコレクタ電極22、エミッタ電極24a、
24bが形成されている。p+−GaAsからなるベー
ス層16中には、サイズの異なる複数の量子ドット26
が形成されている。
That is, as shown in FIG. 12, semi-insulating Ga
A collector contact layer 12 made of n + -GaAs is formed on the As substrate 10, and n + -GaAs is formed thereon.
A collector layer 14 made of p + -G is formed thereon.
A base layer 16 made of aAs is formed, and n +
-Emitter layer 18a and emitter layer 18 made of GaAs
b, and emitter contact layers 20a and 20b are formed thereon. On the collector contact layer 12 and the emitter contact layers 18a and 18b, a collector electrode 22, an emitter electrode 24a, and an emitter electrode 24a, respectively.
24b are formed. A plurality of quantum dots 26 having different sizes are provided in the base layer 16 made of p + -GaAs.
Are formed.

【0064】次に、本実施形態による光半導体記憶装置
の動作を説明する。図12に示す光半導体記憶装置にお
いて、エミッタ電極24aに負の電圧を、エミッタ電極
24bに正の電圧を印加すると、エミッタ層18aとベ
ース層16により形成されるpn接合は順バイアスさ
れ、エミッタ層18bとベース層16とにより形成され
るpn接合は逆バイアスされる。このため、エミッタ電
極24a−エミッタ電極24b間における電流−電圧特
性は図13に示すようになる。
Next, the operation of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained. In the optical semiconductor memory device shown in FIG. 12, when a negative voltage is applied to the emitter electrode 24a and a positive voltage is applied to the emitter electrode 24b, the pn junction formed by the emitter layer 18a and the base layer 16 is forward biased, and the emitter layer The pn junction formed by 18b and the base layer 16 is reverse biased. Therefore, the current-voltage characteristics between the emitter electrode 24a and the emitter electrode 24b are as shown in FIG.

【0065】即ち、エミッタ層18aとベース層16よ
りなるpn接合は順方向のNDR特性を(曲線a)、エ
ミッタ層18bとベース層16よりなるpn接合は逆方
向ダイオード特性を示し(曲線b)、低電圧側安定点S
1と高電圧側安定点S2とを有する双安定状態が形成され
る。このような双安定状態を有する光半導体記憶装置
は、第2実施形態において示したように、光照射により
電流−電圧特性が変化し、記憶情報を書き込むことがで
きる。即ち、弱い光を照射するとエミッタ間電流が減少
し(点線c)、高電圧側安定点S2のみの安定状態が記
憶され、強い光を照射するとエミッタ間電流が増加し
(一点鎖線d)、低電圧側安定点S1のみの安定状態が
記憶される。
That is, the pn junction composed of the emitter layer 18a and the base layer 16 exhibits a forward NDR characteristic (curve a), and the pn junction composed of the emitter layer 18b and the base layer 16 exhibits a reverse diode characteristic (curve b). , Low voltage side stable point S
A bistable state is formed having 1 and the high voltage side stable point S 2 . In the optical semiconductor memory device having such a bistable state, as shown in the second embodiment, the current-voltage characteristic is changed by the light irradiation, and the stored information can be written. That is, when weak light is applied, the inter-emitter current decreases (dotted line c), the stable state only at the high-voltage side stable point S 2 is stored, and when strong light is applied, the inter-emitter current increases (dashed line d). The stable state of only the low voltage side stable point S 1 is stored.

【0066】また、これら弱い光と強い光の中間程度の
強度の光を入射した場合には、双安定状態が保たれる。
従って、中間程度の強度の光を入射し、光の吸収を測定
するか、又は電流の変化を測定することにより記憶情報
を破壊することなく記憶情報を読み出すことができる。
なお、本実施形態では、コレクタ電流を検出することに
よって読み出しを容易にすることができる。
Further, when a light having an intensity of an intermediate level between the weak light and the strong light is incident, the bistable state is maintained.
Therefore, it is possible to read the stored information without destroying the stored information by injecting light having an intermediate intensity and measuring the light absorption or the change in the current.
In the present embodiment, reading can be facilitated by detecting the collector current.

【0067】即ち、低電圧側安定点S1に記憶情報が書
き込まれている場合には、図14(a)に示すように、
エミッタ−ベース間にかかる電圧が低いために電位差が
大きく、コレクタ電流がほとんど流れない。一方、高電
圧側安定点S2に記憶情報が書き込まれている場合に
は、図14(b)に示すように、エミッタ−ベース間に
かかる電圧が高いために電位差が小さくコレクタ電流が
多い。このようなコレクタ電流の差により、記憶情報を
読み出すことができる。
That is, when the stored information is written at the low voltage side stable point S 1 , as shown in FIG.
Since the voltage applied between the emitter and the base is low, the potential difference is large and almost no collector current flows. On the other hand, when the stored information is written at the high voltage side stable point S 2 , as shown in FIG. 14B, the potential difference is small and the collector current is large because the voltage applied between the emitter and the base is high. The stored information can be read out by such a difference in collector current.

【0068】このように、本実施形態によれば、独立の
エミッタ層を複数設けることにより、光半導体記憶装置
を構成することができる。また、コレクタ電流を検出す
ることにより、記憶情報を容易に読み出すことができ
る。また、マルチエミッタ構造の光半導体記憶装置は構
造が簡単であるため、高集積化を容易にすることができ
る。
As described above, according to this embodiment, an optical semiconductor memory device can be constructed by providing a plurality of independent emitter layers. Further, the stored information can be easily read by detecting the collector current. Further, since the optical semiconductor memory device having the multi-emitter structure has a simple structure, high integration can be facilitated.

【0069】なお、上記実施形態ではエミッタ電極を2
つ設けたが、より多くのエミッタ電極を形成してもよ
い。また、上記の実施形態では、図15に示すように、
量子ドット26を縦方向に並べた構造にすることもでき
る。この構造を実現するには、エミッタ層18a、18
b間のストレスを利用してエミッタ層18間のベース層
16中に量子ドット26を並べるようにすればよい。即
ち、2つのエミッタ領域の間の部分には、大きなストレ
スが生じているため、形状加工した後に加熱を行うと、
エミッタ間のみに領しドットを形成することができる。 [第5実施形態]本発明の第5実施形態による光半導体
記憶装置について図16及び図17を用いて説明する。
なお、第1乃至第4実施形態による光半導体記憶装置と
同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は
簡略にする。
In the above embodiment, two emitter electrodes are used.
However, more emitter electrodes may be formed. Further, in the above embodiment, as shown in FIG.
The quantum dots 26 may be arranged vertically. To realize this structure, the emitter layers 18a, 18
The quantum dots 26 may be arranged in the base layer 16 between the emitter layers 18 by utilizing the stress between b. That is, since a large stress is generated in the portion between the two emitter regions, if heating is performed after shape processing,
Dots can be formed only between the emitters. [A Fifth Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS.
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first to fourth embodiments are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0070】図16は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図、図17は本実施形態による
光半導体記憶装置における電流−電圧特性を示す図であ
る。本実施形態による光半導体記憶装置は、第4実施形
態による光半導体記憶装置において、エミッタ層とエミ
ッタ電極との間にp型層を設けたことに特徴がある。
FIG. 16 is a schematic sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 17 is a diagram showing the current-voltage characteristic in the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that the p-type layer is provided between the emitter layer and the emitter electrode in the optical semiconductor memory device according to the fourth embodiment.

【0071】即ち、図16に示すように、半絶縁性Ga
As基板10上には、n+−GaAsからなるコレクタ
コンタクト層12が形成され、その上にn+−GaAs
からなるコレクタ層14が形成され、その上にp+−G
aAsからなるベース層16が形成され、その上にn+
−GaAsからなるエミッタ層18aとエミッタ層18
bとが形成され、その上にはそれぞれp型層34a、3
4bが形成されている。コレクタコンタクト層12、p
型層34a、34b上には、それぞれコレクタ電極2
2、エミッタ電極24a、24bが形成されている。p
+−GaAsからなるベース層16中には、サイズの異
なる複数の量子ドット26が形成されている。
That is, as shown in FIG. 16, semi-insulating Ga
A collector contact layer 12 made of n + -GaAs is formed on the As substrate 10, and n + -GaAs is formed thereon.
A collector layer 14 made of p + -G is formed thereon.
A base layer 16 made of aAs is formed, and n +
-Emitter layer 18a and emitter layer 18 made of GaAs
b are formed on the p-type layers 34a and 3b, respectively.
4b is formed. Collector contact layer 12, p
The collector electrode 2 is formed on each of the mold layers 34a and 34b.
2. Emitter electrodes 24a and 24b are formed. p
In the base layer 16 made of + -GaAs, a plurality of quantum dots 26 having different sizes are formed.

【0072】次に、本実施形態による光半導体記憶装置
の動作を説明する。図16に示す光半導体記憶装置にお
いて、エミッタ電極24aに負の電圧を、エミッタ電極
24bに正の電圧を印加すると、エミッタ層18aとベ
ース層16よりなるpn接合が順バイアスされ、p型層
34bとエミッタ層18bよりなるpn接合が順バイア
スされる。
Next, the operation of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained. In the optical semiconductor memory device shown in FIG. 16, when a negative voltage is applied to the emitter electrode 24a and a positive voltage is applied to the emitter electrode 24b, the pn junction composed of the emitter layer 18a and the base layer 16 is forward biased, and the p-type layer 34b is formed. The pn junction formed by the emitter layer 18b and the emitter layer 18b is forward biased.

【0073】このため、この構造においては、図17に
示すように、実線aと点線bの2つのNDR特性との間
で双安定状態が形成される。このとき、双安定状態をバ
レー電圧付近に設定すれば、保持状態におけるエミッタ
電流IEを大幅に減少することができる。従って、保持
状態での消費電力を抑えることができる。このように、
本実施形態によれば、マルチエミッタ構造の光半導体記
憶装置において、エミッタ層上にp型層を形成すること
により、2つのNDR特性との間で双安定状態を形成し
たので、保持状態の消費電力を大幅に抑えることができ
る。
Therefore, in this structure, as shown in FIG. 17, a bistable state is formed between the two NDR characteristics of the solid line a and the dotted line b. At this time, if the bistable state is set near the valley voltage, the emitter current I E in the holding state can be greatly reduced. Therefore, the power consumption in the holding state can be suppressed. in this way,
According to the present embodiment, in the multi-emitter structure optical semiconductor memory device, the p-type layer is formed on the emitter layer to form the bistable state between the two NDR characteristics. Power consumption can be significantly reduced.

【0074】なお、本実施形態では2つのエミッタ層1
8a、18b上に、それぞれp型層34a、34bを設
けたが、一方のエミッタ層のみにp型層を形成してもよ
い。例えば、上記実施形態と同様にバイアスを印加する
場合には、p型層34aを設けずにp型層34bのみを
形成してもよい。 [第6実施形態]本発明の第6実施形態による光半導体
記憶装置について図18を用いて説明する。なお、第1
乃至第5実施形態による光半導体記憶装置と同一の構成
要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にす
る。
In this embodiment, the two emitter layers 1
Although p-type layers 34a and 34b are provided on 8a and 18b, respectively, the p-type layer may be formed only on one emitter layer. For example, when a bias is applied as in the above embodiment, only the p-type layer 34b may be formed without providing the p-type layer 34a. [A Sixth Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. The first
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the fifth embodiment are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0075】図18は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。本実施形態による光
半導体記憶装置は、図16に示す光半導体記憶装置にお
いて、量子ドット26がベース層16ではなくエミッタ
層18a、18b中に形成されていることに特徴があ
る。即ち、図18に示すように、半絶縁性GaAs基板
10上には、n+−GaAsからなるコレクタコンタク
ト層12が形成され、その上にn+−GaAsからなる
コレクタ層14が形成され、その上にp+−GaAsか
らなるベース層16が形成され、その上にn+−GaA
sからなるエミッタ層18aとエミッタ層18bとが形
成され、その上にはそれぞれp型層34a、34bが形
成されている。コレクタコンタクト層12、p型層34
a、34b上には、それぞれコレクタ電極22、エミッ
タ電極24a、24bが形成されている。n+−GaA
sからなるエミッタ層18a、18b中には、サイズの
異なる複数の量子ドット26が形成されている。
FIG. 18 is a schematic sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that the quantum dots 26 are formed not in the base layer 16 but in the emitter layers 18a and 18b in the optical semiconductor memory device shown in FIG. That is, as shown in FIG. 18, on a semi-insulating GaAs substrate 10, n + collector contact layer 12 made of -GaAs is formed, the collector layer 14 made of n + -GaAs is formed thereon, the A base layer 16 made of p + -GaAs is formed on the n + -GaA layer.
An emitter layer 18a and an emitter layer 18b made of s are formed on which p-type layers 34a and 34b are formed, respectively. Collector contact layer 12, p-type layer 34
A collector electrode 22 and emitter electrodes 24a and 24b are formed on a and 34b, respectively. n + -GaA
A plurality of quantum dots 26 having different sizes are formed in the emitter layers 18a and 18b made of s.

【0076】ここで、p型層34a−エミッタ層18a
−ベース層16と、p型層34b−エミッタ層18b−
ベース層16とには、それぞれpnp接合のバイポーラ
トランジスタ構造が形成されており、両方のpnp接合
バイポーラトランジスタが、ベース層16において直列
に接続されている。従って、第5実施形態に示したよう
な、ベース層16に量子ドット26が形成されている場
合と同様に考えることができるので、エミッタ層18
a、18bに量子ドット26を設ければ、エミッタ層1
8a、18bに光を照射することにより双安定状態を変
化することができる。また、ベース層16に光を照射す
れば、そのときのコレクタ電流の値により記憶情報を読
み出すことができる。
Here, p-type layer 34a-emitter layer 18a
-Base layer 16 and p-type layer 34b-Emitter layer 18b-
A pnp junction bipolar transistor structure is formed in each of the base layers 16, and both pnp junction bipolar transistors are connected in series in the base layer 16. Therefore, the emitter layer 18 can be considered in the same manner as in the case where the quantum dots 26 are formed in the base layer 16 as shown in the fifth embodiment.
If the quantum dots 26 are provided on a and 18b, the emitter layer 1
The bistable state can be changed by irradiating 8a and 18b with light. Further, when the base layer 16 is irradiated with light, the stored information can be read according to the value of the collector current at that time.

【0077】このように、本実施例によれば、マルチエ
ミッタ構造の光半導体記憶装置において、エミッタ層に
量子ドットを形成したので、エミッタ層に光を照射する
ことにより記憶情報の書き込みができ、ベース層に光を
照射することにより記憶情報を変化せずに記憶情報の読
み出しができる。なお、本実施形態においては、エミッ
タ層18とベース層16とに波長が同じで異なる強度の
光を照射することも可能である。この場合、光配線を一
本にした場合であっても、光の強度を変化することによ
り選択的に記憶情報の書き込み、読み出しを行うことが
できる。 [第7実施形態]本発明の第7実施形態による光半導体
記憶装置について図19を用いて説明する。なお、第1
乃至6実施形態による光半導体記憶装置と同一の構成要
素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
As described above, according to this embodiment, in the optical semiconductor memory device having the multi-emitter structure, since the quantum dots are formed in the emitter layer, the memory information can be written by irradiating the emitter layer with light, By irradiating the base layer with light, the stored information can be read out without changing the stored information. In the present embodiment, the emitter layer 18 and the base layer 16 may be irradiated with light having the same wavelength but different intensities. In this case, even when the number of optical wirings is one, it is possible to selectively write and read the stored information by changing the light intensity. [A Seventh Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. The first
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the sixth embodiment are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0078】図19は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。本実施形態による光
半導体記憶装置は、npn接合素子又はpnp接合素子
等において、各層に量子ドットが形成されていることに
特徴がある。即ち、図19に示すように、半絶縁性基板
10上には、コレクタコンタクト層12を介して、p型
層34、n型層36、p型層38が積層して形成された
複数の記憶素子44が形成されている。p型層38上に
は、エミッタコンタクト層20が形成されており、コレ
クタコンタクト層12、エミッタコンタクト層22上に
は、それぞれコレクタ電極22、エミッタ電極24が形
成されている。p型層34、n型層36、p型層38の
各層には、それぞれ量子ドット(図示せず)が形成され
ている。
FIG. 19 is a schematic sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that quantum dots are formed in each layer in an npn junction element, a pnp junction element, or the like. That is, as shown in FIG. 19, a plurality of storages formed by stacking a p-type layer 34, an n-type layer 36, and a p-type layer 38 on a semi-insulating substrate 10 with a collector contact layer 12 interposed therebetween. The element 44 is formed. An emitter contact layer 20 is formed on the p-type layer 38, and a collector electrode 22 and an emitter electrode 24 are formed on the collector contact layer 12 and the emitter contact layer 22, respectively. Quantum dots (not shown) are formed in each of the p-type layer 34, the n-type layer 36, and the p-type layer 38.

【0079】この構造では、量子ドットの大きさがそれ
ぞれ異なっていること、それぞれの量子ドットが電気的
に分離されていることを特徴としている。従って、一つ
の量子ドットの記憶情報が他の量子ドットの記憶情報の
書き換えなどにより影響されることがなく、更に、量子
ドットのサイズを任意に選択できれば、そのサイズに対
応した光パルスの波長の差を各量子ドット間で大きくと
ることができ、波長選択性を向上することが可能とな
る。記憶情報の書き込みは、上述の他の実施形態と同様
に行うことができる。
This structure is characterized in that the quantum dots have different sizes and that the quantum dots are electrically separated. Therefore, the stored information of one quantum dot is not affected by the rewriting of the stored information of other quantum dots, and if the size of the quantum dot can be arbitrarily selected, the wavelength of the optical pulse corresponding to that size can be changed. A large difference can be taken between the quantum dots, and the wavelength selectivity can be improved. Writing of stored information can be performed in the same manner as in the other embodiments described above.

【0080】例えば、左側の記憶素子44における量子
ドットの遷移エネルギーがE1、中央の記憶素子44に
おける量子ドットの遷移エネルギーがE2、右側の記憶
素子44における量子ドットの遷移エネルギーがE3
あるとする。この構造に、ある波長λ(=hc/E2
の光を照射したとすると、中央の量子ドットのみが反応
して、情報の書き込み、読み出しが可能となる。詳細な
読み出し、書き込み方法は、上述の他の実施形態と同様
である。
For example, the transition energy of the quantum dot in the left storage element 44 is E 1 , the transition energy of the quantum dot in the middle storage element 44 is E 2 , and the transition energy of the quantum dot in the right storage element 44 is E 3 . Suppose there is. This structure has a certain wavelength λ (= hc / E 2 )
If only the central quantum dot reacts, it becomes possible to write and read information. The detailed read / write method is the same as in the other embodiments described above.

【0081】このように、本実施形態によれば、それぞ
れの量子ドットを電気的に分離して配置したので、ある
一つの量子ドットの記憶情報を書き換える場合などに
も、他の量子ドットの記憶情報に影響を与えることなく
行うことができる。 [第8実施形態]本発明の第8実施形態による光半導体
記憶装置について図20及び図21を用いて説明する。
なお、第1乃至6実施形態による光半導体記憶装置と同
一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡
略にする。
As described above, according to the present embodiment, since the respective quantum dots are electrically separated and arranged, even when the stored information of one quantum dot is rewritten, the storage of other quantum dots is performed. It can be done without affecting the information. [Eighth Embodiment] The optical semiconductor memory device according to the eighth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS.
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first to sixth embodiments are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0082】図20は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図、図21は量子ドットのサイ
ズとInAs層の成長温度との関係を示すグラフであ
る。本実施形態による光半導体記憶装置は、量子ドット
を有する層が多層膜により形成されていることに特徴が
ある。即ち、半絶縁性GaAs基板10上には、n−G
aAsからなるチャネル層28が形成され、その上にn
+−GaAsからなるコレクタ層14が形成され、その
上に多層膜からなるベース層16が形成され、その上に
+−GaAsからなるエミッタ層18が形成されてい
る。チャネル層28上には、さらに抵抗層30が形成さ
れている。抵抗層30及びエミッタ層18上には、それ
ぞれ電極32及びエミッタ電極24が形成されている。
多層膜からなるベース層16中は、サイズの異なる複数
の量子ドット(図示せず)を有する薄膜を積層して形成
されている。
FIG. 20 is a schematic sectional view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIG. 21 is a graph showing the relationship between the size of the quantum dots and the growth temperature of the InAs layer. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that the layer having quantum dots is formed of a multilayer film. That is, n-G is formed on the semi-insulating GaAs substrate 10.
A channel layer 28 made of aAs is formed, and n is formed thereon.
A collector layer 14 made of + -GaAs is formed, a base layer 16 made of a multilayer film is formed thereon, and an emitter layer 18 made of n + -GaAs is formed thereon. A resistance layer 30 is further formed on the channel layer 28. An electrode 32 and an emitter electrode 24 are formed on the resistance layer 30 and the emitter layer 18, respectively.
The base layer 16 formed of a multilayer film is formed by stacking thin films having a plurality of quantum dots (not shown) of different sizes.

【0083】このようにしてベース層16を形成すれ
ば、ベース層16中の量子ドットの数を多くすることが
でき、記憶容量を大幅に増大することができる。また、
各層の成長を成長する際に、成長温度や膜厚を変化すれ
ば、各層における量子ドットのサイズを容易に変化する
ことができる。例えば、図21に示すように、InAs
層の成長温度を高くすると、量子ドットのサイズが大き
くなることが判っており、この技術を利用すれば、多層
における温度を変化させることにより量子ドットのサイ
ズの異なる層を形成することができる。
By forming the base layer 16 in this way, the number of quantum dots in the base layer 16 can be increased, and the storage capacity can be greatly increased. Also,
The size of the quantum dots in each layer can be easily changed by changing the growth temperature or the film thickness during the growth of each layer. For example, as shown in FIG. 21, InAs
It has been found that increasing the layer growth temperature increases the size of the quantum dots, and this technique can be used to form layers with different quantum dot sizes by varying the temperature in multiple layers.

【0084】このように、本実施形態によれば、量子ド
ットを有する薄膜よりなる多層膜によりベース層を形成
したので、記憶容量を大幅に増大することができる。な
お、上記実施形態では、量子ドットを有する薄膜よりな
る積層膜によりベース層を形成したが、このような層を
エミッタ層に適用してもよい。例えば、図18に示す第
6実施形態による光半導体記憶装置にも適用することが
できる。 [第9実施形態]本発明の第9実施形態による光半導体
記憶装置の情報読み出し方法及び情報書き込み方法につ
いて図22を用いて説明する。なお、第1乃至第8実施
形態による光半導体記憶装置と同一の構成要素には同一
の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
As described above, according to this embodiment, since the base layer is formed of the multilayer film including the thin film having the quantum dots, the storage capacity can be greatly increased. In the above embodiment, the base layer is formed by the laminated film made of thin films having quantum dots, but such a layer may be applied to the emitter layer. For example, it can be applied to the optical semiconductor memory device according to the sixth embodiment shown in FIG. [A Ninth Embodiment] The information reading method and the information writing method of an optical semiconductor memory device according to a ninth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first to eighth embodiments are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0085】図22は本実施形態による光半導体記憶装
置の情報読み出し方法及び情報書き込み方法を示すグラ
フである。第1乃至第8実施形態による光半導体記憶装
置は、サイズの異なる複数の量子ドットを用いて構成し
ているため、量子ドットのサイズに対応した波長をもつ
光を照射することにより各量子ドットにおける記憶情報
の書き込み、読み出しができる。
FIG. 22 is a graph showing the information reading method and the information writing method of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. Since the optical semiconductor memory device according to the first to eighth embodiments is configured by using a plurality of quantum dots having different sizes, each quantum dot is irradiated with light having a wavelength corresponding to the size of the quantum dot. Memory information can be written and read.

【0086】従って、第1実施形態で示したように、情
報を記憶した光半導体記憶装置に光を入射し、入射する
光の波長をスキャンすると、図22(a)に示すよう
に、情報が書き込まれた量子ドットに対応する波長域の
みで光の吸収飽和が生ずる。従って、この光の吸収を検
出することにより記憶情報として読み出すことができ
る。
Therefore, as shown in the first embodiment, when the light is incident on the optical semiconductor memory device storing the information and the wavelength of the incident light is scanned, the information is recorded as shown in FIG. Absorption saturation of light occurs only in the wavelength range corresponding to the written quantum dots. Therefore, it is possible to read out as stored information by detecting the absorption of this light.

【0087】このようにして、どの量子ドットにどのよ
うな記憶情報が記憶されているかを一回のスキャンによ
り読み出すことができる。一方、記憶情報を書き込む際
には、各量子ドットのセパレーションエネルギーに対応
する波長の光を照射することにより行うので、図22
(b)に示すように、書き込むべき量子ドットに対応す
る波長域の光のみを弱めたり、又は強めた光を照射する
ことにより、一括して任意の情報群を記憶させることが
できる。
In this way, it is possible to read what kind of stored information is stored in which quantum dot by one scan. On the other hand, when the stored information is written, it is performed by irradiating the light having the wavelength corresponding to the separation energy of each quantum dot.
As shown in (b), by irradiating only the light in the wavelength region corresponding to the quantum dots to be written with weakened or strengthened light, it is possible to collectively store an arbitrary information group.

【0088】なお、このような一括した情報を一つのま
とまった情報と捉えれば、サイズの異なる複数の量子ド
ットを含む1個の素子により、”0”又は”1”の情報
だけでなく、多様な記憶情報を蓄えることができる。即
ち、いわゆる多値メモリや連想メモリ等を容易に実現す
ることができる。また、量子ドットのサイズをアドレス
として考えれば、ある波長の光のみにより選択的に書き
込み、読み出しをすることも可能であり、通常のSRA
Mや不揮発性メモリなどと同様なメモリデバイスとして
使用することができる。メモリアレーを構成する実施形
態については後述する。
If such collective information is regarded as one set of information, one element including a plurality of quantum dots having different sizes can provide various information as well as "0" or "1" information. It can store various memory information. That is, a so-called multi-valued memory, associative memory, or the like can be easily realized. Further, if the size of the quantum dot is considered as an address, it is possible to selectively write and read only with light of a certain wavelength.
It can be used as a memory device similar to M or a non-volatile memory. An embodiment of the memory array will be described later.

【0089】このように、本実施形態によれば、複数の
記憶情報を一括して書き込み、読み出しすることができ
るので、多値メモリや連想メモリ等に応用することがで
きる。 [第10実施形態]本発明の第10実施形態による光半
導体記憶装置について図23を用いて説明する。なお、
第1乃至第8実施形態による光半導体記憶装置と同一の
構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略に
する。
As described above, according to this embodiment, a plurality of pieces of stored information can be written and read at once, so that the present invention can be applied to a multi-valued memory, an associative memory, or the like. [A Tenth Embodiment] The optical semiconductor memory device according to a tenth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. In addition,
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the first to eighth embodiments are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0090】図23は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す平面図である。本実施形態による光半導
体記憶装置は、記憶素子を複数配列してメモリーアレー
が形成されていることに特徴がある。即ち、図23に示
すように、行方向に光配線群hν1、hν2、hν3、…
が配されており、これら光配線hνnに交差する方向に
電気配線群ES1、ES2、ES3、…が配されている。
光配線hνnと電気配線ESmとの交差部には、第2乃至
第7実施形態のいずれかに記載の光半導体記憶装置より
なるメモリセル40がそれぞれ設けられている。
FIG. 23 is a plan view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that a plurality of memory elements are arranged to form a memory array. That is, as shown in FIG. 23, the optical wiring groups hν 1 , hν 2 , hν 3 , ... Are arranged in the row direction.
Are arranged, and electric wiring groups ES 1 , ES 2 , ES 3 , ... Are arranged in a direction intersecting these optical wirings hν n .
A memory cell 40 including the optical semiconductor memory device according to any one of the second to seventh embodiments is provided at the intersection of the optical wiring hν n and the electrical wiring ES m .

【0091】メモリセル40として、例えば、第2実施
形態による光半導体記憶装置(図7)を用いた場合に
は、光配線hνnは、行方向に配列されたメモリセル4
0のベース層16に光が照射されるように配置する。電
気配線ESmは、列方向に配列されたメモリセル40の
エミッタ電極24に接続する。このように光配線hνn
と電気配線とESmとの交点にメモリセル40を設ける
ことにより、各メモリセル40毎に情報の書き込み、読
み出しを行うことができる。
When the optical semiconductor memory device according to the second embodiment (FIG. 7) is used as the memory cell 40, for example, the optical wiring hν n has the memory cells 4 arranged in the row direction.
It is arranged so that the base layer 16 of 0 is irradiated with light. The electric wiring ES m is connected to the emitter electrodes 24 of the memory cells 40 arranged in the column direction. In this way, the optical wiring hν n
By providing the memory cell 40 at the intersection of the electrical wiring and ES m , it is possible to write and read information for each memory cell 40.

【0092】例えば、光配線hν2と電気配線ES3との
交点に設けられたメモリセル40に情報を書き込む場合
には、電気配線ES3以外の電気配線ESmに高レベルの
電圧を印加し、光配線hν2より弱い光又は強い光を照
射する。こうすることにより、光配線hν2と電気配線
ES3との交点に設けられたメモリセル40のみが選択
され、入射光の強度に応じて高電圧側安定点S2又は低
電圧側安定点S1に情報を記憶することができる。
For example, when writing information in the memory cell 40 provided at the intersection of the optical wiring hν 2 and the electric wiring ES 3 , a high level voltage is applied to the electric wiring ES m other than the electric wiring ES 3. , Light that is weaker or stronger than the optical wiring hν 2 . By doing so, only the memory cell 40 provided at the intersection of the optical wiring hν 2 and the electric wiring ES 3 is selected, and the high voltage side stable point S 2 or the low voltage side stable point S 2 is selected depending on the intensity of the incident light. Information can be stored in 1 .

【0093】記憶情報を読み出すときには、光配線hν
2より所定の波長の光をメモリセル40に照射し、その
波長における吸収率の変化を検出すればよい。記憶情報
が高電圧側安定点S2に記憶されている場合には吸収飽
和により吸収率が減少するが、低電圧安定点S1に記憶
されている場合には吸収飽和は起こらないからである。
従って、吸収率の変化を検出することにより記憶情報を
読み出すことができる。
When reading the stored information, the optical wiring hν
It is sufficient to irradiate the memory cell 40 with light having a predetermined wavelength from 2 and detect the change in the absorptance at that wavelength. This is because when the stored information is stored at the high voltage side stable point S 2 , the absorption rate decreases due to absorption saturation, but when the stored information is stored at the low voltage stable point S 1 , absorption saturation does not occur. .
Therefore, the stored information can be read by detecting the change in the absorption rate.

【0094】このようにしてメモリアレーを構成すれ
ば、通常の半導体メモリと同様のサイズのメモリセルの
中に極めて多くの記憶情報を蓄えることができるので、
記憶容量の飛躍的な増大が可能となる。さらに、メモリ
セルを光配線で結ぶため、従来のメモリセルのように、
配線によってセルサイズやチップサイズが制約された
り、集積度に限界がくることもない。即ち、光のビーム
をセルサイズ程度(約1〜4μm程度)に絞れば、各セ
ルに電気配線を施すことが不要となり、集積度を向上す
ることができるからである。
By configuring the memory array in this way, an extremely large amount of stored information can be stored in a memory cell of the same size as a normal semiconductor memory.
The storage capacity can be dramatically increased. Furthermore, since the memory cells are connected by optical wiring, like conventional memory cells,
The wiring does not limit the cell size or the chip size, nor does the integration limit. That is, if the beam of light is narrowed down to a cell size (about 1 to 4 μm), it is not necessary to provide electrical wiring to each cell, and the degree of integration can be improved.

【0095】このように、本実施形態によれば、量子ド
ットを有するnpn接合素子よりなるメモリセルを用い
てメモリアレーを構成したので、記憶容量を飛躍的に増
大することができる。また、メモリセルを光配線により
接続するため、配線によるセルサイズの制約を抑えるこ
とができる。なお、上記実施形態では、メモリセルとし
て図7に示す第2実施形態による光半導体記憶装置を用
いたが、図1に示す第1実施形態による光半導体記憶装
置を用いる場合には、電気配線を設けずに、2系統の光
配線群のみで構成することができる。第1実施形態によ
る光半導体記憶装置では、双安定状態を用いずに記憶情
報の保持を行うために記憶の保持時間は短くなるが、配
線による制約を完全に取り払うことができる。 [第11実施形態]本発明の第11実施形態による光半
導体記憶装置について図24を用いて説明する。なお、
第3又は第10実施形態による光半導体記憶装置と同一
の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略
にする。
As described above, according to the present embodiment, since the memory array is configured by using the memory cell including the npn junction element having the quantum dots, the storage capacity can be dramatically increased. Further, since the memory cells are connected by the optical wiring, the restriction on the cell size due to the wiring can be suppressed. Although the optical semiconductor memory device according to the second embodiment shown in FIG. 7 is used as a memory cell in the above-described embodiment, when the optical semiconductor memory device according to the first embodiment shown in FIG. It is possible to configure the optical wiring group of two systems without providing it. In the optical semiconductor memory device according to the first embodiment, since the storage information is retained without using the bistable state, the retention time of the storage is shortened, but the restriction due to the wiring can be completely removed. [Eleventh Embodiment] An optical semiconductor memory device according to an eleventh embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. In addition,
The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the third or tenth embodiment are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0096】図24は本実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す平面図である。本実施形態による光半導
体記憶装置は、記憶情報の読み出しを電気的に行うこと
ができることを特徴としている。即ち、本実施形態によ
る光半導体記憶装置は、図24に示すように、光配線h
νnに交差する方向に電気配線群ER1、ER2、ER3
…が更に設けられている。メモリセル40として、例え
ば図10に示す第3実施形態による光半導体記憶装置を
用いた場合には、行方向に配列されたメモリセル40の
電極32に電気配線ERnを接続する。
FIG. 24 is a plan view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the present embodiment. The optical semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized in that the stored information can be read electrically. That is, as shown in FIG. 24, the optical semiconductor memory device according to the present embodiment has the optical wiring h
Electrical wiring groups ER 1 , ER 2 , ER 3 , in the direction intersecting ν n
... is further provided. When the optical semiconductor memory device according to the third embodiment shown in FIG. 10 is used as the memory cell 40, the electrical wiring ER n is connected to the electrode 32 of the memory cell 40 arranged in the row direction.

【0097】光配線hν2と電気配線ES3との交点に設
けられたメモリセル40の記憶情報を読み出すときに
は、光配線hν2より所定の波長の光をメモリセル40
に照射し、電気配線ER3によりコレクタ電流を検出す
ればよい。コレクタ層14に中間の強度の光を照射する
と、コレクタ層14のポテンシャルの高低に対応して、
低い場合(高電圧側安定点S2側に保持されている場
合)にのみp型層34に向かって光電流が流れるからで
ある。このようにして、電気的に記憶情報を読み出すこ
とができる。
When the stored information of the memory cell 40 provided at the intersection of the optical wiring hν 2 and the electrical wiring ES 3 is read, light having a predetermined wavelength is supplied from the optical wiring hν 2 to the memory cell 40.
Then, the collector current may be detected by the electric wiring ER 3 . When the collector layer 14 is irradiated with light having an intermediate intensity, the collector layer 14 has high and low potentials.
This is because the photocurrent flows toward the p-type layer 34 only when it is low (when it is held on the high voltage side stable point S 2 side). In this way, the stored information can be read out electrically.

【0098】このように、本実施形態によれば、量子ド
ットを有するnpn接合素子によりなるメモリセルを用
いたメモリアレーにおいて、記憶情報を電気的に読み出
すことができる。なお、上記第10及び第12実施形態
では、第1乃至第3実施形態による光半導体記憶装置を
メモリセルとして用いた場合について示したが、同様に
して、第4乃至第8実施形態による光半導体記憶装置に
適用してもよい。 [第12実施形態]本発明の第12実施形態による光半
導体論理回路装置について図25及び図26を用いて説
明する。なお、第6実施形態による光半導体記憶装置と
同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は
簡略にする。
As described above, according to this embodiment, it is possible to electrically read the stored information in the memory array using the memory cell including the npn junction element having the quantum dots. In the tenth and twelfth embodiments, the case where the optical semiconductor memory device according to the first to third embodiments is used as a memory cell has been described, but the optical semiconductor devices according to the fourth to eighth embodiments are similarly performed. It may be applied to a storage device. [A Twelfth Embodiment] The optical semiconductor logic circuit device according to a twelfth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. The same components as those of the optical semiconductor memory device according to the sixth embodiment are designated by the same reference numerals to omit or simplify the description.

【0099】図25は本実施形態による光半導体論理回
路装置の構造及び等価回路を示す図、図26は本実施形
態による光半導体論理回路装置の動作を説明するグラフ
である。本実施形態による光半導体論理回路装置は、第
6実施形態による光半導体記憶装置を用いて論理回路を
構成していることに特徴がある。
FIG. 25 is a diagram showing the structure and equivalent circuit of the optical semiconductor logic circuit device according to the present embodiment, and FIG. 26 is a graph for explaining the operation of the optical semiconductor logic circuit device according to the present embodiment. The optical semiconductor logic circuit device according to the present embodiment is characterized in that the optical semiconductor memory device according to the sixth embodiment is used to configure a logic circuit.

【0100】即ち、図25(a)に示すように、半絶縁
性GaAs基板10上には、n+−GaAsからなるコ
レクタコンタクト層12が形成され、その上にn+−G
aAsからなるコレクタ層14が形成され、その上にp
+−GaAsからなるベース層16が形成され、その上
にn+−GaAsからなるエミッタ層18aとエミッタ
層18bとが形成され、その上にはそれぞれエミッタコ
ンタクト層20a、20bが形成され、エミッタコンタ
クト層20a上にはp型層34が形成されている。コレ
クタコンタクト層12、p型層34、エミッタコンタク
ト層20b上には、それぞれコレクタ電極22、エミッ
タ電極24a、24bが形成されている。エミッタ層1
8a、18b中には、サイズの異なる複数の量子ドット
26が形成されている。
That is, as shown in FIG. 25A, a collector contact layer 12 made of n + -GaAs is formed on a semi-insulating GaAs substrate 10, and n + -G is formed thereon.
A collector layer 14 made of aAs is formed, and p is formed on the collector layer 14.
A base layer 16 made of + -GaAs is formed, an emitter layer 18a and an emitter layer 18b made of n + -GaAs are formed on the base layer 16, and emitter contact layers 20a and 20b are formed thereon, respectively. A p-type layer 34 is formed on the layer 20a. A collector electrode 22 and emitter electrodes 24a and 24b are formed on the collector contact layer 12, the p-type layer 34, and the emitter contact layer 20b, respectively. Emitter layer 1
A plurality of quantum dots 26 having different sizes are formed in 8a and 18b.

【0101】このような構造において、エミッタ電極2
4aは接地され、エミッタ電極24bは電源線Vcc′に
接続され、コレクタ電極22は負荷素子42を介して電
源線Vccに接続されている(図25(b))。また、エ
ミッタ層18bには入力信号である入射光hν1(1)及び
hν1(2)が照射されるようになっており、出力信号はコ
レクタ電極22と負荷素子42との間より得ることがで
きる。
In such a structure, the emitter electrode 2
4a is grounded, the emitter electrode 24b is connected to the power supply line Vcc ', and the collector electrode 22 is connected to the power supply line Vcc via the load element 42 (FIG. 25 (b)). The emitter layer 18b is adapted to be irradiated with incident light hν 1 (1) and hν 1 (2) which are input signals, and the output signal should be obtained from between the collector electrode 22 and the load element 42. You can

【0102】次に、本実施形態による光半導体論理回路
装置の動作を説明する。図25(a)に示す光半導体論
理回路装置のエミッタ層18bに、量子ドット26の基
底準位間のセパレーションエネルギーに対応する光hν
1(1)及びhν1(2)が照射されない場合には弱い光(0,
0)で出力は1となる。光hν1(1)又はhν1(2)のいず
れか一方のみ照射されると、中間の光(0,1)又は
(1,0)となり状態が保持される。
Next, the operation of the optical semiconductor logic circuit device according to the present embodiment will be explained. In the emitter layer 18b of the optical semiconductor logic circuit device shown in FIG. 25A, light hν corresponding to the separation energy between the ground levels of the quantum dots 26 is formed.
If 1 (1) and hν 1 (2) are not irradiated, weak light (0,
The output becomes 1 in 0). When one is only one irradiation with light hv 1 (1) or hv 1 (2), an intermediate light (0,1) or (1,0) and the state is maintained.

【0103】光hν1(1)及びhν1(2)がともに照射され
ると、強い光(1,1)となり、出力は0となる(図2
6(a))。従って、出力は弱い光或いは強い光が照射
されたときのみ変化し、中間の光が照射されたときには
変化しないこととなり、状態を保持する回路が実現でき
る(図26(b))。
[0103] When light hv 1 (1) and hv 1 (2) are both irradiated, strong light (1,1), and the output is zero (FIG. 2
6 (a)). Therefore, the output changes only when weak light or strong light is emitted, and does not change when intermediate light is emitted, and a circuit that holds the state can be realized (FIG. 26B).

【0104】このように、本実施形態によれば、光の照
射により状態を変化する光半導体論理回路装置を構成す
ることができる。
As described above, according to this embodiment, it is possible to construct an optical semiconductor logic circuit device which changes its state by irradiation of light.

【0105】[0105]

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、第1導電
型の半導体よりなるコレクタ層と、コレクタ層に接合さ
れ、第2導電型の半導体よりなるベース層と、ベース層
に接合され、第1導電型の半導体よりなるエミッタ層
と、ベース層に形成された量子ドットとにより光半導体
記憶装置すれば、量子ドット中に生成された正孔が再結
合されにくく、記憶の保持時間を長くすることができ
る。
As described above, according to the present invention, a collector layer made of a semiconductor of the first conductivity type is joined to the collector layer, and a base layer made of a semiconductor of the second conductivity type is joined to the base layer. If an optical semiconductor memory device is composed of an emitter layer made of a semiconductor of the first conductivity type and a quantum dot formed in the base layer, holes generated in the quantum dot are less likely to be recombined, and the retention time of memory is improved. Can be long.

【0106】また、量子ドットのサイズは非常に小さい
ので非常に大きな記憶容量を実現することができる。ま
た、上記の光半導体記憶装置において、サイズの異なる
複数の量子ドットを形成すれば、異なる波長の光を用い
ることにより、量子ドット毎に情報を記憶できる波長多
重メモリを実現することができる。
Since the size of the quantum dots is very small, a very large storage capacity can be realized. Further, in the above optical semiconductor memory device, by forming a plurality of quantum dots having different sizes, it is possible to realize a wavelength multiplexing memory capable of storing information for each quantum dot by using light of different wavelengths.

【0107】また、上記の光半導体記憶装置において、
コレクタ層に負荷素子を接続し、量子ドットにおいて双
安定状態が形成されるようにすれば、光の照射強度の違
いにより記憶情報の書き込みを行うことができ、記憶情
報を破壊することなく記憶情報を読み出すことができる
光半導体記憶装置を構成することができる。また、上記
の光半導体記憶装置において、コレクタ層に接合され
た、第1導電型の第1の半導体層を設け、コレクタ層
と、第1の半導体層とからなるpn接合に流れる電流を
量子ドットの安定状態に応じて変化するようにすれば、
記憶情報を電気的に読み出すことができる。
In the above optical semiconductor memory device,
If a load element is connected to the collector layer and a bistable state is formed in the quantum dots, the stored information can be written due to the difference in the irradiation intensity of light, and the stored information can be stored without destroying the stored information. It is possible to configure an optical semiconductor memory device capable of reading the data. In the above optical semiconductor memory device, a first semiconductor layer of the first conductivity type, which is joined to the collector layer, is provided, and a current flowing in a pn junction formed of the collector layer and the first semiconductor layer is applied to a quantum dot. If it changes according to the stable state of
The stored information can be read out electrically.

【0108】また、上記の光半導体記憶装置において、
複数のエミッタ層を形成すれば、光の照射強度の違いに
より記憶情報の書き込みを行うことができる。また、コ
レクタ電流を検出することにより、記憶情報を電気的に
読み出すことができる。また、上記の光半導体記憶装置
において、複数のエミッタ層のうち、少なくともひとつ
のエミッタ層に、第2導電型の第2の半導体層を接合
し、第2の半導体層が接合されたエミッタ層と第2の半
導体層とにより形成される負性抵抗素子と、他のエミッ
タ層とベース層とにより形成される負性抵抗素子とによ
り、量子ドットの双安定状態を形成すれば、保持状態の
消費電力を大幅に低減することができる。
In the above optical semiconductor memory device,
By forming a plurality of emitter layers, it is possible to write stored information depending on the difference in light irradiation intensity. Further, the stored information can be electrically read by detecting the collector current. In the above optical semiconductor memory device, at least one emitter layer of the plurality of emitter layers is joined to a second semiconductor layer of the second conductivity type, and the second semiconductor layer is joined to the emitter layer. If the bistable state of the quantum dot is formed by the negative resistance element formed by the second semiconductor layer and the negative resistance element formed by the other emitter layer and the base layer, the holding state is consumed. The power can be significantly reduced.

【0109】また、上記の光半導体記憶装置は、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
入射することにより、量子ドットの安定状態を変化して
量子ドットに情報を書き込むことができる。また、上記
の光半導体記憶装置の情報書き込み方法において、量子
ドットに、電子−正孔対の生成により生成される電子の
数よりも、エミッタ層からベース層の伝導帯を越えてコ
レクタ層に到達する電子の数が支配的になる強い光を照
射することにより、エミッタ層−コレクタ層間に流れる
電流を増加させ、安定状態を低電圧側に変化すれば、情
報を書き込むことができる。
Further, the above-mentioned optical semiconductor memory device can change the stable state of the quantum dot and write information in the quantum dot by making the light of the wavelength corresponding to the separation energy of the quantum dot incident. In the above method for writing information in an optical semiconductor memory device, the quantum dots reach the collector layer beyond the conduction band of the base layer rather than the number of electrons generated by the generation of electron-hole pairs. Information can be written by irradiating with strong light in which the number of electrons to be generated is dominant to increase the current flowing between the emitter layer and the collector layer and change the stable state to the low voltage side.

【0110】また、上記の光半導体記憶装置の情報書き
込み方法において、量子ドットに、電子−正孔対の生成
により生成される電子の数よりも、一のエミッタ層から
ベース層の伝導帯を越えて他のエミッタ層に到達する電
子の数が支配的になる強い光を照射することにより、一
のエミッタ層と他のエミッタ層に流れる電流を増加さ
せ、安定状態を低電圧側に変化すれば、情報を書き込む
ことができる。
In the above method for writing information in the optical semiconductor memory device, the number of electrons generated by the generation of electron-hole pairs in the quantum dot exceeds the conduction band from one emitter layer to the base layer. If the stable state is changed to a low voltage side by increasing the current flowing through one emitter layer and the other emitter layer by irradiating strong light in which the number of electrons reaching the other emitter layer is dominant , Can write information.

【0111】また、上記の光半導体記憶装置の情報書き
込み方法において、サイズの異なる複数の量子ドットに
対応する波長域を有する光を照射すれば、複数の量子ド
ットに一括して情報を書き込むことができる。また、上
記の光半導体記憶装置は、電子−正孔対の生成による電
子の数と、エミッタ層からベース層の伝導帯を越えてコ
レクタ層に到達する電子の数とがほぼ等しくなる中間の
光を照射し、照射した光の吸収を検知することにより記
憶情報を破壊することなく読み出すことができる。
Further, in the above-described method of writing information in an optical semiconductor memory device, if light having a wavelength range corresponding to a plurality of quantum dots having different sizes is irradiated, information can be written in a plurality of quantum dots at once. it can. In addition, the above-described optical semiconductor memory device has an intermediate light intensity in which the number of electrons due to generation of electron-hole pairs and the number of electrons reaching the collector layer from the emitter layer beyond the conduction band of the base layer are substantially equal. The stored information can be read out without destroying the stored information by irradiating with and detecting the absorption of the irradiated light.

【0112】また、上記の光半導体記憶装置は、電子−
正孔対の生成による電子の数と、エミッタ層からベース
層の伝導帯を越えてコレクタ層に到達する電子の数とが
ほぼ等しくなる中間の光を照射し、第1の半導体層方向
に流れる光電流を測定することにより記憶情報を破壊す
ることなく読み出すことができる。また、上記の光半導
体記憶装置は、電子−正孔対の生成による電子の数と、
一のエミッタ層からベース層の伝導帯を越えて他のエミ
ッタ層に到達する電子の数とがほぼ等しくなる中間の光
を照射し、照射した光の吸収を検知することにより記憶
情報を破壊することなく読み出すことができる。
In addition, the above-mentioned optical semiconductor memory device is an electronic device.
Irradiation with intermediate light in which the number of electrons generated by the generation of hole pairs and the number of electrons reaching the collector layer from the emitter layer through the conduction band of the base layer are substantially equal to each other, and flows in the first semiconductor layer direction. By measuring the photocurrent, it is possible to read the stored information without destroying it. In addition, the above-described optical semiconductor memory device includes the number of electrons due to generation of electron-hole pairs,
Irradiate intermediate light that makes the number of electrons reaching the other emitter layer from the one emitter layer to exceed the conduction band of the base layer, and destroys stored information by detecting absorption of the emitted light. Can be read without

【0113】また、このように一括してデータを扱うこ
とにより、連想メモリや多値メモリを構成することがで
きる。また、複数の電気配線からなる列アドレス信号線
群と、列アドレス信号線群に交差する方向に設けられた
複数の光配線からなる行アドレス信号線群と、列アドレ
ス信号線群と行アドレス信号線群との各交差部に設けら
れた上記の光半導体記憶装置とを有し、エミッタ層は、
列アドレス信号線群に接続されており、ベース層には、
行アドレス信号線群より発した光が照射されるように構
成すれば、SRAM等の通常のメモリ素子と同様にして
使用することができる。
By handling the data collectively in this way, an associative memory or a multi-valued memory can be constructed. Also, a column address signal line group including a plurality of electric wirings, a row address signal line group including a plurality of optical wirings provided in a direction intersecting the column address signal line group, a column address signal line group and a row address signal. And the optical semiconductor memory device described above provided at each intersection with the line group, the emitter layer,
It is connected to the column address signal line group, and in the base layer,
If it is configured so that the light emitted from the row address signal line group is irradiated, it can be used in the same manner as an ordinary memory element such as SRAM.

【0114】また、複数の電気配線からなる列アドレス
信号線群と、列アドレス信号線群に交差する方向に配さ
れた複数の光配線からなる行アドレス信号線群と、列ア
ドレス信号線群に平行に配された、複数の電気配線から
なる読み出し信号線群と、列アドレス信号線群及び読み
出し信号線群と行アドレス信号線群との各交差部に設け
られた請求項7記載の光半導体記憶装置とを有し、エミ
ッタ層は、列アドレス信号線群に接続されており、ベー
ス層には、行アドレス信号線群より発した光が照射され
るようになっており、第1の半導体層は、読み出し信号
線群に接続すれば、記憶情報を電気的に読み出せるメモ
リアレーを構成することができる。
In addition, a column address signal line group consisting of a plurality of electric wirings, a row address signal line group consisting of a plurality of optical wirings arranged in a direction intersecting the column address signal line group, and a column address signal line group are formed. 8. An optical semiconductor according to claim 7, wherein the read signal line group formed of a plurality of electric wirings arranged in parallel is provided at each intersection of the column address signal line group and the read signal line group and the row address signal line group. A memory device, the emitter layer is connected to the column address signal line group, and the base layer is irradiated with light emitted from the row address signal line group. The layers can form a memory array in which stored information can be electrically read by connecting to the read signal line group.

【0115】また、上記の光半導体記憶装置を有する光
半導体論理回路装置において、光半導体記憶装置のコレ
クタ層を負荷素子を介して第1の電源線に接続し、光半
導体記憶装置の一のエミッタ層を接地し、光半導体記憶
装置の他のエミッタ層を第2の電源線に接続し、他のエ
ミッタ層に照射する2種類の光の強度に応じて記憶情報
を変化し、その情報を出力すれば光半導体論理回路装置
を構成することができる。
In the optical semiconductor logic circuit device having the optical semiconductor memory device described above, the collector layer of the optical semiconductor memory device is connected to the first power supply line via the load element, and the emitter of the optical semiconductor memory device is connected. The layer is grounded, the other emitter layer of the optical semiconductor memory device is connected to the second power supply line, the stored information is changed according to the intensity of the two kinds of light with which the other emitter layer is irradiated, and the information is output. Then, an optical semiconductor logic circuit device can be constructed.

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

【図1】本発明の第1実施形態による光半導体記憶装置
の構造を示す概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施形態による光半導体記憶装置
のエネルギーバンド構造を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an energy band structure of the optical semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1実施形態による光半導体記憶装置
における記憶情報の読み出し方法を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of reading stored information in the optical semiconductor storage device according to the first embodiment of the present invention.

【図4】サイズの異なる量子ドットを形成する方法を示
す概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a method of forming quantum dots having different sizes.

【図5】本発明の第2実施形態による光半導体記憶装置
の原理を説明するエネルギーバンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining the principle of the optical semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2実施形態による光半導体記憶装置
における電流−電圧特性を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第2実施形態による光半導体装置の構
造を示す概略断面図である。
FIG. 7 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図8】図7に示す光半導体記憶装置における電流−電
圧特性を示すグラフである。
8 is a graph showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device shown in FIG.

【図9】本発明の第2実施形態の変形例による光半導体
記憶装置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a modification of the second embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 10 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第3実施形態の変形例による光半導
体記憶装置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a modification of the third embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第4実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 12 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第4実施形態による光半導体記憶装
置における電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第4実施形態による光半導体記憶装
置の読み出し原理を説明する図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a read principle of an optical semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第4実施形態の変形例による光半導
体記憶装置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a modification of the fourth embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第5実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 16 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第5実施形態による光半導体記憶装
置における電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing current-voltage characteristics in the optical semiconductor memory device according to the fifth embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第6実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 18 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図19】本発明の第7実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 19 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図20】本発明の第8実施形態による光半導体記憶装
置の構造を示す概略断面図である。
FIG. 20 is a schematic sectional view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図21】量子ドットのサイズとInAs層の成長温度
との関係を示すグラフである。
FIG. 21 is a graph showing the relationship between quantum dot size and InAs layer growth temperature.

【図22】本発明の第9実施形態による光半導体記憶装
置の情報読み出し方法及び情報書き込み方法を示すグラ
フである。
FIG. 22 is a graph showing an information reading method and an information writing method of the photosemiconductor memory device according to the ninth embodiment of the present invention.

【図23】本発明の第10実施形態による光半導体記憶
装置の構造を示す平面図である。
FIG. 23 is a plan view showing the structure of the optical semiconductor memory device according to the tenth embodiment of the present invention.

【図24】本発明の第11実施形態による光半導体記憶
装置の構造を示す平面図である。
FIG. 24 is a plan view showing the structure of an optical semiconductor memory device according to an eleventh embodiment of the present invention.

【図25】本発明の第12実施形態による光半導体論理
回路装置の構造及び等価回路を示す図である。
FIG. 25 is a diagram showing a structure and an equivalent circuit of an optical semiconductor logic circuit device according to a twelfth embodiment of the present invention.

【図26】本発明の第12実施形態による光半導体論理
回路装置の動作を説明するグラフである。
FIG. 26 is a graph illustrating an operation of the optical semiconductor logic circuit device according to the twelfth embodiment of the present invention.

【図27】従来の光半導体記憶装置における電流−電圧
特性を示すグラフである。
FIG. 27 is a graph showing current-voltage characteristics in the conventional optical semiconductor memory device.

【図28】従来の光半導体記憶装置の構造を示すエネル
ギーバンド図及び電流−電圧特性を示すグラフである。
FIG. 28 is an energy band diagram showing a structure of a conventional optical semiconductor memory device and a graph showing current-voltage characteristics.

【図29】従来の光半導体記憶装置の構造を示すエネル
ギーバンド図である。
FIG. 29 is an energy band diagram showing a structure of a conventional optical semiconductor memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…GaAs基板 12…コレクタコンタクト層 14…コレクタ層 16…ベース層 18…エミッタ層 20…エミッタコンタクト層 22…コレクタ電極 24…エミッタ電極 26…量子ドット 28…チャネル層 30…抵抗層 32…電極 34…p型層 36…n型層 38…p型層 40…メモリセル 42…負荷素子 44…記憶素子 46…量子ドット 48…バリア層 50…井戸層 10 ... GaAs substrate 12 ... Collector contact layer 14 ... Collector layer 16 ... Base layer 18 ... Emitter layer 20 ... Emitter contact layer 22 ... Collector electrode 24 ... Emitter electrode 26 ... Quantum dot 28 ... Channel layer 30 ... Resistance layer 32 ... Electrode 34 ... p-type layer 36 ... n-type layer 38 ... p-type layer 40 ... memory cell 42 ... load element 44 ... storage element 46 ... quantum dot 48 ... barrier layer 50 ... well layer

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1導電型の半導体よりなるコレクタ層
と、 前記コレクタ層に接合され、第2導電型の半導体よりな
るベース層と、 前記ベース層に接合され、第1導電型の半導体よりなる
エミッタ層と、 前記ベース層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。
1. A collector layer made of a semiconductor of a first conductivity type, a base layer made of a semiconductor of a second conductivity type and a base layer made of a semiconductor of a second conductivity type, and a base layer made of a semiconductor of a first conductivity type. And a quantum dot formed on the base layer.
【請求項2】 請求項1記載の光半導体記憶装置におい
て、 前記ベース層には、サイズの異なる複数の量子ドットが
形成されていることを特徴とする光半導体記憶装置。
2. The optical semiconductor memory device according to claim 1, wherein a plurality of quantum dots having different sizes are formed in the base layer.
【請求項3】 請求項2記載の光半導体記憶装置におい
て、 前記コレクタ層に接続された負荷素子を更に有し、 前記量子ドットにおいて双安定状態が形成されているこ
とを特徴とする光半導体記憶装置。
3. The optical semiconductor memory device according to claim 2, further comprising a load element connected to the collector layer, wherein a bistable state is formed in the quantum dot. apparatus.
【請求項4】 請求項3記載の光半導体記憶装置におい
て、 前記コレクタ層に接合された、第1導電型の第1の半導
体層を更に有し、 前記コレクタ層と、前記第1の半導体層とからなるpn
接合に流れる電流を前記量子ドットの安定状態に応じて
変化することにより、記憶情報を電気的に読み出すこと
を特徴とする光半導体記憶装置。
4. The optical semiconductor memory device according to claim 3, further comprising a first conductive type first semiconductor layer joined to the collector layer, the collector layer and the first semiconductor layer. Pn consisting of
An optical semiconductor memory device, wherein stored information is electrically read by changing a current flowing through a junction according to a stable state of the quantum dots.
【請求項5】 請求項3又は4記載の光半導体記憶装置
において、 前記ベース層に、複数の前記エミッタ層が形成されてい
ることを特徴とする光半導体記憶装置。
5. The optical semiconductor memory device according to claim 3 or 4, wherein a plurality of the emitter layers are formed in the base layer.
【請求項6】 請求項5記載の光半導体記憶装置におい
て、 複数の前記エミッタ層のうち、少なくともひとつのエミ
ッタ層に、第2導電型の第2の半導体層が接合されてお
り、 前記第2の半導体層が接合された前記エミッタ層と前記
第2の半導体層とによる負性微分抵抗特性と、他のエミ
ッタ層と前記ベース層とによる負性微分抵抗特性とによ
り、前記量子ドットの双安定状態が形成されていること
を特徴とする光半導体記憶装置。
6. The optical semiconductor memory device according to claim 5, wherein a second semiconductor layer of the second conductivity type is joined to at least one emitter layer of the plurality of emitter layers, Bistability of the quantum dot by the negative differential resistance characteristic of the emitter layer and the second semiconductor layer to which the semiconductor layer is joined and the negative differential resistance characteristic of the other emitter layer and the base layer. An optical semiconductor memory device characterized in that a state is formed.
【請求項7】 請求項3乃至6のいずれかに記載の光半
導体記憶装置の情報書き込み方法であって、 前記量子ドットのセパレーションエネルギーに対応した
波長の光を入射することにより、前記量子ドットの安定
状態を変化して前記量子ドットに情報を書き込むことを
特徴とする光半導体記憶装置の情報書き込み方法。
7. The method for writing information in an optical semiconductor memory device according to claim 3, wherein the quantum dots of the quantum dots are irradiated with light having a wavelength corresponding to the separation energy of the quantum dots. An information writing method for an optical semiconductor memory device, characterized in that a stable state is changed to write information in the quantum dots.
【請求項8】 請求項3又は4記載の光半導体記憶装置
の情報書き込み方法において、 前記量子ドットに、電子−正孔対の生成により生成され
る電子の数よりも、前記エミッタ層から前記ベース層の
伝導帯を越えて前記コレクタ層に到達する電子の数が支
配的になる強い光を照射することにより、前記エミッタ
層−前記コレクタ層間に流れる電流を増加させ、前記安
定状態を低電圧側に変化することを特徴とする光半導体
記憶装置の情報書き込み方法。
8. The method for writing information in an optical semiconductor memory device according to claim 3, wherein the number of electrons generated by the generation of electron-hole pairs in the quantum dots is higher than the number of electrons generated by the emitter layer in the base. By irradiating with strong light in which the number of electrons reaching the collector layer over the conduction band of the layer is dominant, the current flowing between the emitter layer and the collector layer is increased, and the stable state is changed to the low voltage side. And a method for writing information in an optical semiconductor memory device.
【請求項9】 請求項5又は6記載の光半導体記憶装置
の情報書き込み方法において、 前記量子ドットに、電子−正孔対の生成により生成され
る電子の数よりも、一のエミッタ層から前記ベース層の
伝導帯を越えて他のエミッタ層に到達する電子の数が支
配的になる強い光を照射することにより、前記一のエミ
ッタ層と前記他のエミッタ層に流れる電流を増加させ、
前記安定状態を低電圧側に変化することを特徴とする光
半導体記憶装置の情報書き込み方法。
9. The method for writing information in an optical semiconductor memory device according to claim 5, wherein the number of electrons generated from one emitter layer is greater than the number of electrons generated by generation of electron-hole pairs in the quantum dots. By irradiating with strong light in which the number of electrons reaching the other emitter layer exceeds the conduction band of the base layer, the current flowing through the one emitter layer and the other emitter layer is increased,
An information writing method for an optical semiconductor memory device, characterized in that the stable state is changed to a low voltage side.
【請求項10】 請求項3記載の光半導体記憶装置の情
報読み出し方法であって、 電子−正孔対の生成による電子の数と、前記エミッタ層
から前記ベース層の伝導帯を越えて前記コレクタ層に到
達する電子の数とがほぼ等しくなる中間の光を照射し、
照射した前記光の吸収を検知することにより記憶情報を
読み出すことを特徴とする光半導体記憶装置の情報読み
出し方法。
10. The method for reading information from an optical semiconductor memory device according to claim 3, wherein the number of electrons due to generation of electron-hole pairs and the collector beyond the conduction band of the base layer from the emitter layer. Irradiate with intermediate light that makes the number of electrons reaching the layer almost equal,
An information reading method for an optical semiconductor memory device, characterized in that stored information is read by detecting absorption of the irradiated light.
【請求項11】 請求項4記載の光半導体記憶装置の情
報読み出し方法であって、 電子−正孔対の生成による電子の数と、前記エミッタ層
から前記ベース層の伝導帯を越えて前記コレクタ層に到
達する電子の数とがほぼ等しくなる中間の光を照射し、 前記第1の半導体層方向に流れる光電流を測定すること
により記憶情報を読み出すことを特徴とする光半導体記
憶装置の情報読み出し方法。
11. The method for reading information from an optical semiconductor memory device according to claim 4, wherein the number of electrons due to generation of electron-hole pairs and the collector exceeding the conduction band of the base layer from the emitter layer. Information of an optical semiconductor memory device characterized in that stored information is read by irradiating an intermediate light in which the number of electrons reaching the layer is almost equal to and measuring a photocurrent flowing in the direction of the first semiconductor layer. Read method.
【請求項12】 請求項5又は6記載の光半導体記憶装
置の情報読み出し方法であって、 電子−正孔対の生成による電子の数と、一のエミッタ層
から前記ベース層の伝導帯を越えて他のエミッタ層に到
達する電子の数とがほぼ等しくなる中間の光を照射し、
照射した前記光の吸収を検知することにより記憶情報を
読み出すことを特徴とする光半導体記憶装置の情報読み
出し方法。
12. The method for reading information from an optical semiconductor memory device according to claim 5, wherein the number of electrons generated by the generation of electron-hole pairs and the conduction band of one emitter layer exceeds the conduction band of the base layer. And irradiate with intermediate light that makes the number of electrons reaching other emitter layers almost equal,
An information reading method for an optical semiconductor memory device, characterized in that stored information is read by detecting absorption of the irradiated light.
【請求項13】 複数の電気配線からなる列アドレス信
号線群と、 前記列アドレス信号線群に交差する方向に設けられた複
数の光配線からなる行アドレス信号線群と、 前記列アドレス信号線群と前記行アドレス信号線群との
各交差部に設けられた請求項1乃至3のいずれかに記載
の光半導体記憶装置とを有し、 前記エミッタ層は、前記列アドレス信号線群に接続され
ており、 前記ベース層には、前記行アドレス信号線群より発した
光が照射されるようになっていることを特徴とする光半
導体記憶装置。
13. A column address signal line group including a plurality of electric wirings, a row address signal line group including a plurality of optical wirings provided in a direction intersecting the column address signal line group, and the column address signal line. Group and the row address signal line group, and the optical semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 3 provided at each intersection, wherein the emitter layer is connected to the column address signal line group. The optical semiconductor memory device is characterized in that the base layer is irradiated with light emitted from the row address signal line group.
【請求項14】 複数の電気配線からなる列アドレス信
号線群と、 前記列アドレス信号線群に交差する方向に配された複数
の光配線からなる行アドレス信号線群と、 前記列アドレス信号線群に平行に配された、複数の電気
配線からなる読み出し信号線群と、 前記列アドレス信号線群及び前記読み出し信号線群と前
記行アドレス信号線群との各交差部に設けられた請求項
4記載の光半導体記憶装置とを有し、 前記エミッタ層は、前記列アドレス信号線群に接続され
ており、 前記ベース層には、前記行アドレス信号線群より発した
光が照射されるようになっており、 前記第1の半導体層は、前記読み出し信号線群に接続さ
れていることを特徴とする光半導体記憶装置。
14. A column address signal line group including a plurality of electric wirings, a row address signal line group including a plurality of optical wirings arranged in a direction intersecting with the column address signal line group, and the column address signal line. A read signal line group composed of a plurality of electric wirings arranged in parallel to the group, and provided at each intersection of the column address signal line group and the read signal line group and the row address signal line group. 4. The optical semiconductor memory device according to 4, wherein the emitter layer is connected to the column address signal line group, and the base layer is irradiated with light emitted from the row address signal line group. The optical semiconductor memory device, wherein the first semiconductor layer is connected to the read signal line group.
【請求項15】 請求項6記載の光半導体記憶装置を有
する光半導体論理回路装置であって、 前記光半導体記憶装置の前記コレクタ層は負荷素子を介
して第1の電源線に接続され、前記光半導体記憶装置の
一のエミッタ層は接地され、前記光半導体記憶装置の他
のエミッタ層は第2の電源線に接続されており、 前記他のエミッタ層に照射する2種類の光の強度に応じ
て記憶情報を変化し、その情報を出力することを特徴と
する光半導体論理回路装置。
15. An optical semiconductor logic circuit device having the optical semiconductor memory device according to claim 6, wherein the collector layer of the optical semiconductor memory device is connected to a first power supply line via a load element, One emitter layer of the optical semiconductor memory device is grounded, and the other emitter layer of the optical semiconductor memory device is connected to a second power supply line. The intensity of two kinds of light with which the other emitter layer is irradiated is adjusted. An optical semiconductor logic circuit device characterized in that stored information is changed in accordance with the output and the information is output.
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KR100398316B1 (en) * 2001-09-19 2003-09-19 광주과학기술원 Resonant Tunneling Electronic Dvice
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