JPH11121868A

JPH11121868A - 量子半導体記憶装置

Info

Publication number: JPH11121868A
Application number: JP21596898A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sugiyama; 芳弘杉山; Yoshiaki Nakada; 義昭中田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】自己組織化量子ドットを使い、光励起された
電子とホールとを空間的に分離して安定に保持する光多
重記録量子半導体記憶装置を提供する。【解決手段】自己組織化量子ドットに隣接して、間接
遷移型半導体よりなる蓄積層を形成し、量子ドットを構
成する半導体の組成を、量子ドット中に形成される量子
準位が、前記間接遷移型半導体の伝導帯Ｘ点よりも上に
位置するように決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に半導体装置に
係り、特に量子ドット構造を情報の記憶に使う量子半導
体記憶装置およびその製造方法に関する。キャリアの閉
じ込めのない、いわゆるバルク半導体結晶では、キャリ
アの状態密度はエネルギと共に放物線的に、すなわち連
続的に増大するが、半導体結晶中にキャリアを１次元的
に閉じ込めたいわゆる量子井戸構造では量子準位が出現
するため、状態密度が階段状に変化する。かかる階段状
の状態密度を有する系では、キャリアの分布はバルク結
晶の場合よりも制限されるため、かかる量子井戸構造を
例えばレーザダイオード等の光半導体装置に適用した場
合、バルク半導体結晶を使った場合よりも幅のせまい鋭
いスペクトルが得られ、またレーザダイオード等の発光
素子では発光効率が向上する。また、量子井戸構造は、
ＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子におい
て、キャリアのエネルギフィルタとして使われている。

【０００２】かかるキャリアの閉じ込めをさらに進めた
量子細線構造では、キャリアの２次元的な閉じ込めの結
果、状態密度は各階段の下端で最大になるように変化す
るため、キャリアのエネルギスペクトルはさらに鋭くな
る。キャリアの閉じ込めをさらに進めた究極的な量子ド
ット構造では、キャリアの３次元的な閉じ込めの結果、
状態密度は離散的になり、これに伴い、キャリアのエネ
ルギスペクトルは、各量子準位に対応して完全に離散的
になる。かかる離散的なエネルギスペクトルを有する系
では、系が室温等の熱的励起が存在するような状態にあ
ってもキャリアの遷移が量子準位間で不連続に生じるた
め、例えば量子ドット構造を有する光半導体装置では、
室温においても非常に鋭い発光スペクトルを得ることが
できる。また、かかる量子ドット構造をＲＨＥＴのよう
な共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエ
ネルギフィルタとして使った場合も、低温のみならず、
室温においても非常に鋭いエネルギスペクトルが得られ
る。

【０００３】

【従来の技術】従来より、かかる量子ドット構造を使っ
て情報を光学的に記憶する量子半導体記憶装置が提案さ
れている。例えば、武藤(Muto, S., Jpn. J. Appl. Phy
s. vol.34 (1995), pp.L210-212, Part 2, No.2B, 15 F
ebruary 1995) は、多数の階段面より構成される傾斜基
板の各階段面において、量子井戸層およびバリア層を形
成する半導体層を、隣接する階段面との境界を構成する
段部から側方にエピタキシャル成長させることにより形
成した多数の量子ドットより構成される量子ドット構造
において、量子ドット中において光学的に励起された電
子を、隣接する別の半導体層中にトンネリングさせ、保
持する構成の量子半導体記憶装置を提案している。

【０００４】かかる構成では、前記量子ドット中で励起
された電子が、前記別の半導体層中に、前記量子ドット
中に残留するホールと空間的に分離した状態で安定に保
持される。また、前記光学的に励起される量子ドットを
直接遷移型の半導体材料により構成し、前記別の半導体
層をを間接遷移型の半導体材料より構成することによ
り、前記別の半導体層中において光学的励起が生じるの
を回避している。

【０００５】図１は、かかる従来の量子半導体記憶装置
の動作原理を示すバンド構造図である。図１を参照する
に、ＧａＡｓ量子ドットＭ１は薄いＡｌＧａＡｓバリア
層Ｍ２により囲まれ、さらに前記バリア層Ｍ２に隣接し
てＡｌＡｓ層Ｍ３が形成されている。ＧａＡｓ量子ドッ
トＭ１は直接遷移型の量子ドットであり、入射光ｈνに
より●で示す電子および○で示すホールを、それぞれの
量子準位ＬｅおよびＬｈに励起する。量子ドットＭ１
は、前記量子準位Ｌｅが隣接するＡｌＡｓ層Ｍ３の伝導
帯下端よりも高くなるような大きさに設定され、その結
果量子ドットＭ１で励起された電子はバリア層Ｍ２をト
ンネリングしてＡｌＡｓ層Ｍ３の伝導帯Ｘ点に落ちる
（Γ−Ｘトランスファ）。かかる電子の光励起に伴って
生じるホールは有効質量が大きいため量子ドットＭ１中
に留まり、このため光励起された電子とホールとは、空
間的に分離して安定に保持される。また、ＡｌＡｓ層Ｍ
３は間接遷移型の半導体であり、Ｘ点での価電子帯から
伝導帯へのキャリアの遷移には、運動量保存則を満足す
るフォノン等、他の素励起との相互作用が不可欠であ
り、またかかる他の素励起との相互作用が必要ないΓ点
では、必要な遷移エネルギが非常に大きいため、層Ｍ３
におけるキャリアの光励起は実質的に生じない。

【０００６】かかる量子ドットを使った量子半導体記憶
装置を作製するには、明確な量子準位を形成し、量子準
位間で光学的遷移が生じるような、良質の量子ドットを
形成する技術が不可欠である。しかも、図１よりわかる
ように、上記従来の量子半導体記憶装置では、量子ドッ
トＭ１中の量子準位Ｌｅが、隣接するＡｌＡｓ層Ｍ３中
の伝導帯Ｘ点よりもエネルギ的に上に位置するように、
量子ドットＭ１の大きさを制御できる必要がある。

【０００７】従来より、キャリアを２次元平面内に閉じ
込めるいわゆる量子井戸構造は、ＭＢＥ法あるいはＭＯ
ＶＰＥ法を使って一対のバリア層の間に非常に薄い量子
井戸層を介在させることにより、比較的容易に、また確
実に形成することが可能であった。また、キャリアを１
次元的に閉じ込める量子細線構造については、階段構造
を有するいわゆる傾斜半導体基板を使い、各階段の側縁
に沿って厚さおよび幅の狭い半導体層を量子井戸層とし
て成長させる方法、あるいは１次元量子井戸構造を電子
ビームリソグラフィ等により形成する方法が提案されて
いる。

【０００８】そこで、量子ドット構造についても、この
ような傾斜基板上の段差あるいはキンクを使って形成す
ることが考えられるが、かかる基板表面の段差の制御は
困難であり、またかかる量子ドット界面においては元素
の混合が生じやすく、界面における組成の急峻な変化が
困難である等の問題点が存在する。また、リソグラフィ
等のパターニングを使った場合、加工に伴う量子ドット
への実質的な損傷が避けられない。このような理由で、
先に説明した量子ドットを使った半導体記憶装置は実現
されていない。

【０００９】これに対し、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み
系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキ
シャル成長の初期に出現するいわゆるＳ−Ｋ（Stranski
-Krastanow) モード成長を利用することにより、基板上
に相互に離間した島の形で量子ドット構造を形成するこ
とができることが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板
上に、Ｉｎ組成が０．５程度の格子定数が大きく異なる
ＩｎＧａＡｓ層を数分子層、ＭＢＥ法により堆積するこ
とにより、直径が３０〜４０ｎｍのＩｎＧａＡｓの島が
ＧａＡｓ基板上に形成されることが報告されている（Le
onard, D., etal., Appl. Phys. Lett. 63, pp.3203 -
3205, 1993)。また、ＡＬＥ法を使って直径が１５〜２
０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓの島を、ＧａＡｓ基板上に、
１００ｎｍ程度の間隔で形成できることが報告されてい
る (Mukai, K., et al., Jpn. J.Appl. Phys., 33, pp.
L1710 - L1712, 1994) 。さらに、ＭＯＶＰＥ法によっ
ても、同様な量子ドットを形成できることが知られてい
る（Oshinowo, J., et al., Appl, Phys. Lett. 65, (1
1), pp.1421 - 1423 (1994) 。

【００１０】図２（Ａ），（Ｂ）は、このような歪み系
ヘテロエピタキシャル構造において形成される量子ドッ
トを示す断面図および平面図である。図２（Ａ）を参照
するに、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓ等よりなる
バッファ層２を介して、別のＧａＡｓ層３がエピタキシ
ャルに形成され、さらに前記ＧａＡｓ層３上にＩｎＧａ
Ａｓよりなる量子井戸層４が形成される。その際、前記
量子井戸層４を構成するＩｎＧａＡｓは、その下の層３
を構成するＧａＡｓよりも実質的に格子定数が大きいた
め、層３上に島状に成長し、その結果、図２（Ｂ）に示
す相互に離間したＩｎＧａＡｓよりなる厚さが数ｎｍ、
径が典型的には数十ｎｍの量子ドットが自発的に形成さ
れる。さらにかかるＩｎＧａＡｓ量子ドット上にバンド
ギャップのより大きいＧａＡｓ層５を堆積することによ
り、前記量子ドット中には、離散的な量子準位が形成さ
れる。

【００１１】かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造に
おける量子ドットの形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエ
ネルギに支配されるため、従来の量子ドット構造の形成
に比べてはるかに簡単であり、また電子ビームリソグラ
フィ等によるパターニングを行なうわけでもないので、
形成された量子ドットが製造プロセスにより損傷を受け
ることもない。かかる量子ドットに対してはフォトルミ
ネッセンス（ＰＬ）も測定されており、１．２ｅＶ付近
において、かなり広がったＰＬピークが生じるのが確認
されている (Leonard, D., et al., op cit.) 。

【００１２】すなわち、かかるＳ−Ｋモードを使った量
子ドットでは、スペクトル半値幅（ＦＷＨＭ：Full Wid
th at Half Maximum) が典型的には８０〜１００ｍｅＶ
程度の範囲に拡がってしまうが、これは量子ドットの大
きさに実質的なばらつきがあるためと考えられる。最近
になって、 Farad 他 (Farad, S. et al., Appl. Phy
s. Lett. 68(7), pp.991 - 993, February 12, 1996)
は、ＩｎＰ基板上に格子整合して堆積されたＡｌＩｎＡ
ｓバッファ層上のＩｎＡｓよりなるＳ−Ｋモード量子ド
ットについて、１．５μｍ帯のＰＬ波長を報告してい
る。この報告においても、ＰＬスペクトルのＦＷＨＭは
１１０ｍｅＶ以上あり、個々の量子ドットの大きさに実
質的なばらつきがあることを示している。

【００１３】量子ドットを使った前記量子半導体記憶装
置では、かかる個々の量子ドットの大きさ、従ってこれ
と相互作用する光波長のばらつきの存在は、かかる量子
ドットを含む記録媒体上同一の領域に、記録光の波長を
変えることにより、異なった情報を書き込む、いわゆる
波長多重記録が可能であることを意味する。すなわち、
前記量子半導体記憶装置において、量子ドットに、かか
るＳ−Ｋモードで形成される、いわゆる自己組織化量子
ドットを使うことにより、簡単に波長多重記録が実現で
きる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、Ｓ−Ｋモ
ードで形成された自己組織化量子ドットでは、波長多重
記録が簡単に可能ではあるが、これは同時に各々の量子
ドットの大きさが制御されていないことをも意味する。
換言すると、自己組織化量子ドットでは、Ｓ−Ｋモード
成長により形成されるため、量子ドットの大きさは基板
および量子ドットを構成する材料系や成長温度条件等に
よりおおよそ決まってしまい、傾斜基板上に形成された
量子ドットのように、図１に示す量子ドットＭ１の量子
準位Ｌｅが、隣接するＡｌＡｓ層Ｍ３の伝導帯のＸ点よ
りも上になるように自在に制御することは出来ない。こ
のため、単純に自己組織化量子ドットを前記量子半導体
記憶装置に適用しても、所望の情報の書込み、保持、あ
るいは読み出しを行えるとは必ずしも限らない。

【００１５】そこで、本発明は、上記の課題を解決し
た、新規で有用な量子半導体記憶装置を提供することを
概括的課題とする。本発明のより具体的な課題は、自己
組織化された量子ドットと、前記量子ドットに隣接して
形成され、光励起により量子ドットから放出されたキャ
リアを捕獲する間接遷移型の半導体層を含む量子半導体
記憶装置において、量子ドットにおいて光励起されたキ
ャリアが前記間接遷移型半導体層に確実に、かつ速やか
に捕獲される量子半導体記憶装置を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題
を、請求項１に記載したように、半導体基板と、前記半
導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層と、前
記半導体基板上に、前記活性層に隣接して形成された蓄
積層とよりなる量子半導体装置において、前記量子構造
は：第１の格子定数と第１の禁制帯幅とを有する第１の
半導体結晶よりなるバリア層と；前記バリア層中に形成
され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数と
前記第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁制帯幅とを有
し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する第
２の半導体結晶よりなり、各々量子準位を有する複数の
自己組織化量子ドットとを含み、前記第２の半導体結晶
は、前記量子ドットの量子準位エネルギが、前記蓄積層
の伝導帯よりも高くなるような組成を有することを特徴
とする量子半導体記憶装置により、または請求項２に記
載したように、前記蓄積層は、前記量子準位よりもエネ
ルギ的に低い位置に伝導帯のＸ点を有する間接遷移型半
導体よりなることを特徴とする請求項１記載の量子半導
体記憶装置により、または請求項３に記載したように、
前記バリア層は、前記キャリアのトンネリングが可能な
厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の
量子半導体記憶装置により、または請求項４に記載した
ように、前記第１の半導体結晶は、前記半導体基板に格
子整合するような組成を有することを特徴とする請求項
１〜３のうち、いずれか一項記載の量子半導体記憶装置
により、または請求項５に記載したように、前記活性層
と前記蓄積層とは、交互に繰り返し積層され、積層半導
体構造体を形成することを特徴とする請求項１〜４のう
ち、いずれか一項記載の量子半導体記憶装置により、ま
たは請求項６に記載したように、前記積層半導体構造体
の側面上に、前記蓄積層にオーミック接触するように、
接地電極を設けたことを特徴とする請求項５記載の量子
半導体記憶装置により、または請求項７に記載したよう
に、前記量子構造中において、前記中間層は複数回繰り
返し積層され、前記複数の中間層の各々において、各々
の量子ドットは、隣接する中間層中の対応する量子ドッ
トと、前記半導体基板の主面に垂直な方向に、実質的に
整列することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれ
か一項記載の量子半導体記憶装置により、または請求項
８に記載したように、前記第２の半導体結晶はＩｎＰで
あることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一
項記載の量子半導体記憶装置により、または請求項９に
記載したように、前記第１の半導体結晶はＩｎＧａＰ，
ＡｌＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓＰよりなる群より選択
されることを特徴とする請求項８記載の量子半導体記憶
装置により、または請求項１０に記載したように、前記
第２の半導体結晶はＩｎＡｓＰであり、前記第１の半導
体結晶はＡｌＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項
１〜７のうち、いずれか一項記載の量子半導体記憶装置
により、または請求項１１に記載したように、前記第２
の半導体結晶はＧａＳｂであることを特徴とする請求項
１〜７のうち、いずれか一項記載の量子半導体記憶装置
により、または請求項１２に記載したように、前記第１
の半導体結晶はＩｎＧａＰであることを特徴とする請求
項１１記載の量子半導体記憶装置により、または請求項
１３に記載したように、さらに、前記量子ドットの基底
量子準位間を共鳴励起する第１の波長の第１の光ビーム
を照射する第１の光源と、前記量子ドットの基底量子準
位にある電子を、前記バリア層の伝導帯上端を超えて励
起する第２の波長の第２の光ビームを照射する第２の光
源とを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のうち、
いずれか一項記載の量子半導体記憶装置により、または
請求項１４に記載したように、前記蓄積層は、前記量子
準位よりもエネルギ的に低い位置に伝導帯のΓ点を有す
る間接遷移型半導体よりなることを特徴とする請求項１
記載の量子半導体記憶装置により、または請求項１５に
記載したように、前記蓄積層はＡｌＧａＡｓよりなるこ
とを特徴とする請求項１４記載の量子半導体記憶装置に
より、または請求項１６に記載したように、半導体基板
と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活
性層と、前記半導体基板上に、前記活性層に隣接して形
成された蓄積層とよりなる量子半導体記憶装置におい
て、前記量子構造は：第１の格子定数と第１の禁制帯幅
とを有する第１の半導体結晶よりなるバリア層と；前記
バリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる
第２の格子定数と前記第１の禁制帯幅よりも小さい第２
の禁制帯幅とを有し、前記第１の半導体結晶に対して歪
み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々量子準
位を有する複数の自己組織化量子ドットと、前記量子ド
ットの基底量子準位間を共鳴励起する第１の波長の第１
の光ビームを照射する第１の光源と、前記量子ドットの
基底量子準位にある電子を、前記バリア層の伝導帯上端
を超えて励起する第２の波長の第２の光ビームを照射す
る第２の光源とを備えたことを特徴とする量子半導体記
憶装置により、または請求項１７に記載したように、前
記第２の半導体結晶は、前記量子ドットの量子準位エネ
ルギが、前記蓄積層の伝導帯に等しいか低くなるような
組成を有することを特徴とする請求項１６記載の量子半
導体記憶装置により、または請求項１８に記載したよう
に、前記蓄積層は、前記量子準位よりもエネルギ的に高
い位置に伝導帯のＸ点を有する間接遷移型半導体よりな
ることを特徴とする請求項１６または１７記載の量子半
導体記憶装置により、または請求項１９に記載したよう
に、前記蓄積層は、前記量子準位よりもエネルギ的に低
い位置に伝導帯のＸ点を有する間接遷移型半導体よりな
ることを特徴とする請求項１６記載の量子半導体記憶装
置により、または請求項２０に記載したように、前記第
２の半導体結晶は、前記量子ドットの量子準位エネルギ
が、前記蓄積層の伝導帯よりも高くなるような組成を有
することを特徴とする請求項１９記載の量子半導体記憶
装置により、解決する。［作用］図３は、本発明の原理を示すバンド構造図であ
る。

【００１７】図３を参照するに、本発明の量子半導体記
憶装置では、図１に示す蓄積層Ｍ３および量子ドット層
Ｍ１を有する量子半導体記憶装置において、前記量子ド
ット層Ｍ１の代わりに歪み系エピタキシャル構造におい
て出現する自己組織化量子ドットを含む量子ドット層Ｑ
₁〜Ｑ₃を使う。その際、量子ドット層Ｑ₁〜Ｑ₃の各
々の中に形成される量子準位、特に電子の量子準位Ｌｅ
が、前記蓄積層の伝導帯Ｘ点よりもエネルギ的に高くな
るように、量子ドットの組成を選択する。量子ドット層
Ｑ₁〜Ｑ₃では量子ドットは自己組織化されるため、量
子ドットの大きさを制御するのは一般的には困難であ
る。このため、本発明では、量子ドットを構成する半導
体として、基板に対して自己組織化量子ドットを形成す
るに適当な歪み系を形成し、直接遷移型で、しかも禁制
帯幅ができるだけ大きい材料を選択する。その結果、量
子ドットにおいて光励起されたキャリアは効率よく蓄積
層に脱出し、量子ドット中にはホールが空間的に分離さ
れて安定に残留する。

【００１８】

【発明の実施の形態】

［第１実施例］図４は、本発明の第１実施例による多重
記録量子半導体記憶装置１０の構成を示す。図４を参照
するに、多重記録量子半導体記憶装置１０は（１００）
面を主面とする半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に形成され
る。より具体的には、多重記録量子半導体記憶装置１０
は、前記ＧａＡｓ基板１１上に３００ｎｍの厚さにエピ
タキシャルに形成された非ドープＧａＡｓバッファ層１
１Ａと、前記バッファ層１１Ａ上に典型的には２０ｎｍ
の厚さにエピタキシャルに形成された、組成がＡｌ_0. ₅
Ｇａ_0.5Ａｓよりなる非ドープＡｌＧａＡｓエッチング
ストッパ層１２とを含み、さらに前記エッチングストッ
パ層１２上には、各々厚さが約２０ｎｍの非ドープＡｌ
Ａｓキャリア蓄積層１３と、前記蓄積層１３上に形成さ
れた厚さが約１０ｎｍのＩｎＧａＰバリア層１４と、前
記ＩｎＧａＰバリア層１４上に、歪み系において生じる
Stranski-Krastanow モード成長により形成されたＩｎ
Ｐ量子ドット１５と、前記ＩｎＧａＰバリア層１４上
に、前記ＩｎＰ量子ドット１５を埋めるように、典型的
には１０ｎｍの厚さに形成された別のＩｎＧａＰバリア
層１６とを含む量子構造ＱＳを、繰り返しエピタキシャ
ルに形成する。ただし、バリア層１４および１６は、Ｇ
ａＡｓ基板１１に格子整合するような組成を有する。

【００１９】さらに、前記最上層の量子構造ＱＳ上に
は、非ドープＡｌＧａＡｓ等よりなるキャップ層１７
が、典型的には２０ｎｍの厚さに形成される。キャップ
層１７は、ＡｌＧａＡｓより構成する場合には、通過光
ビームを吸収しないように例えばＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ
の組成を有するのが好ましいが、光吸収が問題にならな
い程度に薄く形成される場合には、ＧａＡｓ層あるいは
よりＡｌ濃度の低いＡｌＧａＡｓ層であってもよい。ま
た、前記基板１１およびバッファ層１１Ａには、前記エ
ッチングストッパ層１２を露出するように、開口部１１
Ｂが、ウェットエッチング法により形成される。ただ
し、量子ドット１５は図３の量子ドットＱ１に、バリア
層１４あるいは１６はバリア層Ｍ２に、また蓄積層１３
は蓄積層Ｍ３に対応する。

【００２０】前記ＩｎＰ量子ドット１５は下側のＩｎＧ
ａＰバリア層１４に対して歪み系を形成するため、先に
記載したように、 Stranski-Krastanow モード成長によ
り、径が数十ｎｍ、高さが数ｎｍの島状に形成される。
その際、個々の量子ドット１５の大きさは人為的には制
御されないため、量子ドット１５中には実質的な大きさ
のばらつき、従って量子準位のばらつきが発生する。

【００２１】図５は、このような多重記録量子半導体記
憶装置１０において、多数の量子ドット１５により全体
的に形成される光吸収特性を示す。図５を参照するに、
装置１０において全体的に観測される光吸収スペクトル
は、個々の量子ドット１５は３次元キャリア閉じ込め構
造に特徴的な鋭い光吸収スペクトルを有していると考え
られるが、その大きさが人為的に制御されていないた
め、ある中心波長のまわりで拡がったブロードな形状を
有する。このため、例えば図４の構造において、基板１
１の下方から前記開口部１１Ｂを介して前記量子ドット
１５の一と相互作用をする波長の書込み光ビームを照射
すると、図５に示すように、かかる書込み光ビームの波
長に対応して、いわゆるＰＨＢ（フォトホールバーニン
グ）により吸収の飽和が生じ、かかる飽和は前記光吸収
スペクトル中に、ディップの形で観測される。

【００２２】先に図３で説明したように、かかる書込み
光ビームを照射された量子ドットでは、光励起された電
子は前記ＩｎＧａＰバリア層１４あるいは１６をトンネ
リングにより通過し、隣接するＡｌＡｓ蓄積層１３の伝
導帯Ｘ点に脱出する（Γ−Ｘトランスファ）。このた
め、励起を受けた量子ドットにはホールのみが残り、光
吸収が飽和するが、かかる飽和状態は、電子−ホールの
再結合により失われることがなく、安定に保存される。
ＩｎＧａＰバリア層１４あるいは１６は、かかる電子の
トンネリングが可能なように、先に説明したように１０
ｎｍあるいはそれ以下の厚さに形成するのが好ましい。
また、このような自己組織化量子ドット１５を含む構造
では、各々の量子ドット１５とこれに隣接するバリア層
１４あるいは１６には歪みが蓄積されるが、かかる歪み
は前記薄いバリア層１４あるいは１６を介して前記Ａｌ
Ａｓ蓄積層１３にも伝達される。その際、伝達された歪
みは前記ＡｌＡｓ層１３の伝導帯Ｘの位置を低エネルギ
側にシフトさせるように作用し、その結果、前記量子ド
ット１５からＡｌＡｓ層１３への電子のΓ−Ｘトランス
ファの効率はますます向上する。

【００２３】一方、前記多重記録量子半導体記憶装置１
０中に書き込まれた情報を読み出す場合には、前記書込
み光ビームの代わりに、例えばＷ灯等の白色光源で形成
された白色光ビームを読み取り光ビームとして、前記積
層量子構造Ｑ１に、前記書込み光ビームよりも一桁以上
強度を下げて照射する。かかる読み取り光ビームは前記
開口部１１Ｂを介して照射され、前記積層量子構造中を
通過した光ビームは前記キャップ層１７の上方に配設さ
れた分光器（図示せず）によりスペクトル成分に分解さ
れ、フォトダイオード（図示せず）により検出される。

【００２４】このような構成では、書き込まれた情報に
対応して前記光吸収スペクトル中に形成されるディップ
は１ｎｍ以下の幅を有しており、このため書込み光ビー
ムの光源として、例えばチタンサファイアレーザ等の波
長可変レーザを使い、光ビームの波長を変化させること
により、光情報の多重記録を行うことが可能になる。図
４の構成においては、光記録を行う場合に、前記量子ド
ット１５が、従来報告されているＩｎＡｓ系の自己組織
化量子ドットと異なり、バンドギャップの大きいＩｎＰ
により形成されているため、量子ドット１５中に形成さ
れる量子準位Ｌｅが前記蓄積層１３のＸ点よりもエネル
ギ的に高くなり、このため特に外部電界を印加して前記
量子ドット１５から蓄積層１３へと電子を引き抜く等の
必要はない。このため、量子半導体記憶装置１０の構成
が簡単になる。使われる書込み光ビームの強度が大きい
場合には、前記蓄積層１３中に蓄積させる電子の量が多
くなるため、蓄積された電子の電荷により、蓄積層１３
のポテンシャルが全体として、高エネルギ側にシフトす
ることがある。このような場合には、前記量子半導体記
憶装置１０の側壁面に接地電極１８を形成して、前記蓄
積層１３に蓄積された電子を逃がすようにしてもよい。

【００２５】図４の構成では、書込み光ビームおよび読
み取り光ビームをいずれも前記ＧａＡｓ基板１１中に形
成された開口部１１Ｂより照射するようになっている
が、図４に破線で示すように、書込み光ビームおよび読
み取り光ビームの両方、あるいはいずれか一方を、前記
積層構造体の側面に照射するようにしてもよい。［第２実施例］図６は、本発明の第２実施例による多重
記録量子半導体記憶装置２０の構成を示す。ただし、図
６中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照
符号を付し、説明を省略する。

【００２６】図６を参照するに、量子半導体記憶装置２
０は、図４の量子半導体記憶装置１０と略同一の構造を
有するが、図４のＩｎＧａＰバリア層１４および１６の
代わりに、組成がＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの非ドープＡｌ
ＧａＡｓよりなるバリア層１４Ａ，１６Ａを、いずれも
典型的には１０ｎｍの厚さに形成する。本実施例でも、
バリア層１４Ａ，１６ＡはＧａＡｓ基板１１に格子整合
し、従ってＩｎＰ量子ドット１５に対して歪み系を形成
する。一方、本実施例のようにバリア層１４Ａ，１６Ａ
をＡｓを含む材料で構成した場合、量子ドット１５には
バリア層１４Ａから供給されたＡｓが混入し、その結果
量子ドット１５の組成は厳密にはＩｎＰではなく、Ｉｎ
ＡｓＰになる可能性がある。このような場合でも、Ａｓ
の量子ドット１５への混入量は多くはなく、量子準位Ｌ
ｅからＡｌＡｓ蓄積層１３のＸ点への光励起電子のΓ−
Ｘトランスファーは効果的に進行する。

【００２７】その他の本実施例の特徴は先の実施例と同
様であり、説明を省略する。［第３実施例］図７は、本発明の第３実施例による多重
記録量子半導体記憶装置３０の構成を示す。ただし、図
７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照
符号を付し、説明を省略する。

【００２８】図７を参照するに、量子半導体記憶装置３
０は、図４の量子半導体記憶装置１０と略同一の構造を
有するが、図４のＩｎＧａＰバリア層１４および１６の
代わりに、前記ＧａＡｓ基板１１に格子整合する組成の
非ドープＩｎＡｌＧａＡｓＰよりなるバリア層１４Ｂ，
１６Ｂを、いずれも典型的には１０ｎｍの厚さに形成す
る。また、先の実施例のＩｎＰ量子ドット１５のかわり
に、本実施例ではＩｎＡｓＰよりなる量子ドット１５Ａ
を使う。

【００２９】本実施例でも、バリア層１４Ｂ，１６Ｂ
は、ＩｎＡｓＰ量子ドット１５Ａに対して、量子ドット
１５Ａの Stranski-Krastanow モードによる成長を促進
する歪み系を形成する。その他の本実施例の特徴は先の
実施例と同様であり、説明を省略する。［第４実施例］図８は、本発明の第４実施例による多重
記録量子半導体記憶装置４０の構成を示す。ただし、図
８中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照
符号を付し、説明を省略する。

【００３０】図８を参照するに、量子半導体記憶装置４
０は、図４の量子半導体記憶装置１０と略同一の構造を
有するが、各量子構造ＱＳにおいて、図４のＩｎＰ量子
ドット１５が多数、それぞれのバリア層と共に繰り返し
積層される。このように積層された量子ドット１５は基
板１１の面に垂直な方向に自発的に整列し、このように
垂直方向に整列した量子ドット１５は互いに量子力学的
に結合し、実効的に単一の大きな量子ドット１５Ｂを形
成する。

【００３１】かかる、 Stranski-Krastanow モードによ
る量子ドットの自発的な垂直方向への整列、および実効
的に単一の大きな量子ドットの形成は、特願平８−２１
２８１１号公報に記載されているが、要約すると、形成
された量子ドット１５上に薄いバリア層１６を堆積する
際、バリア層１６は量子ドット１５と格子整合しないた
め、結晶構造が量子ドット１５を覆う部分において変形
し、かかる結晶構造的に変形したバリア層１６上に新た
に量子ドット１５を Stranski-Krastanow モードにより
形成した場合、量子ドット１５がバリア層１６のうち、
結晶構造が変形した、下側の量子ドット１５を覆う部分
に選択的に成長するためと考えられる。

【００３２】このような、垂直方向に整列した量子ドッ
ト１５は、先にも説明したように量子力学的に結合し、
より大きな単一の量子ドット１５Ｂを形成するが、その
結果量子ドット１５Ｂの大きさのばらつきは、量子ドッ
ト１５を単層で形成した場合よりも実質的に小さくな
る。これは、図５のような吸収スペクトルの拡がりが減
少することを意味するが、一方図８の構造において、量
子構造ＱＳの各繰り返し毎に量子ドット１５の積層数を
変化させることにより、図５の吸収スペクトルの形状を
ある程度、人為的に制御することも可能になる。

【００３３】その他の本実施例の特徴は先の実施例と同
様であり、説明を省略する。［第５実施例］図９は、本発明の第５実施例による多重
記録量子半導体記憶装置１０Ａの構成を示す。ただし、
図９中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参
照符号を付し、説明を省略する。

【００３４】図９を参照するに、量子半導体記憶装置１
０Ａは、図４の量子半導体記憶装置１０と略同一の構造
を有するが、図４のＩｎＰ量子ドット１５の代わりに非
ドープＧａＳｂよりなる量子ドット１５Ｃを、量子ドッ
ト１５と同様にＳ−Ｋモード成長により形成する。本実
施例でも図３に示すバンド構造と同様なバンド構造が得
られるが、特にＧａＳｂ量子ドット１５Ｃでは伝導帯お
よび価電子帯の位置、従って電子およびホールの基底準
位Ｌe ，Ｌh が隣接するＩｎＧａＰバリア層に対して全
体として高エネルギ側にシフトし、その結果ホールの閉
じ込めポテンシャルの大きさが増大する。また、電子の
基底準位Ｌe が蓄積層１６のＸ点よりも高エネルギ側に
位置するため、量子ドット１５Ｃにおいて光励起された
電子の蓄積層１６へのＸ−Γトランスファ機構による脱
出が実質的に促進される。

【００３５】その他の本実施例の特徴は先の実施例と同
様であり、説明を省略する。［第６実施例］図１０は、本発明の第６実施例による多
重記録量子半導体記憶装置５０の構成を示す。ただし、
図１０中、先に説明した部分に対応する部分には同一の
参照符号を付し、説明を省略する。また、図１０中、基
板１１およびバッファ層１１Ａは図示を省略する。

【００３６】図１０を参照するに、本実施例では、量子
構造ＱＳを積層した積層半導体構造体上に、厚さが６０
ｎｍで組成がＡｌ_0.5Ｇａ_0.5ＡｓよりなるＡｌＧａＡ
ｓ層２１と厚さが５０ｎｍのＧａＡｓ層２２とを交互に
繰り返し積層したブラッグレフレクタ（ＤＢＲ）を形成
し、読み取り動作時に、読み取り用白色光ビームを前記
積層半導体構造体下部からＤＢＲに向かって、ハーフミ
ラー３１を通って入射させる。入射した読み取り白色光
ビームは、先に説明したように情報を書き込まれた量子
構造ＱＳ中を通過し、前記ＤＢＲにより反射され、入射
光路を逆に辿って前記ハーフミラー３１に到達し、さら
にミラー３１で反射されて図示していない分光器へと導
かれる。また、書き込み時には、より強い強度の単色書
込み光ビームが、前記ハーフミラー３１を通って照射さ
れる。あるいは、書き込み時には書込み光ビームを、前
記ＤＢＲによる反射を避けて、前記層状構造体の側面に
照射してもよい。［第７実施例］図１１は、本発明の第７実施例による光
多重記録・再生装置６０の構成を示す。

【００３７】図１１を参照するに、光多重記録・再生装
置６０では、先に説明した多重記録量子半導体記憶装置
１０〜５０のいずれでもよい半導体記憶装置をディスク
状に形成した記録ディスク６１が、図示しない駆動装置
により軸回りに回転され、これに対して書込み用波長可
変レーザ６２から出射した、所定の波長の書込み光ビー
ムが、ハーフミラー６３および偏波面保存光ファイバ６
４を通った後、レンズ６５を介して照射される。レンズ
６５および光ファイバは、前記記録ディスク６１の径方
向に可動な光学ヘッドを構成し、その結果、情報が前記
記録ディスク６１上の所定の位置に、波長を変化させる
ことにより、多重記録される。

【００３８】一方、読み取り動作時には、読み取り用の
白色光源６６の出力光ビームが前記ハーフミラー６３お
よび光ファイバ６４を通った後、前記記録ディスク６１
上に照射され、通過した光ビームが分光器６７で各スペ
クトル成分に分解された後、フォトダイオード等の検出
器６８により検出される。分光器６７および検出器６８
は、前記レンズ６５および光ファイバ６４と共にディス
ク６１の径方向に可動であり、光学ヘッドの一部を構成
する。［第８実施例］図１２は、本発明の第８実施例による光
多重記録・再生装置７０の構成を示す。ただし、図１２
中先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明
を省略する。

【００３９】図１２を参照するに、光多重記録・再生装
置７０では、波長ν₁の第１の光ビームを出力する書き
込みレーザ６２の他に、波長ν₂の第２の光ビームを出
力する別のレーザ６２Ａが設けられ、前記第１および第
２の光ビームはハーフミラー６３Ａおよび前記ハーフミ
ラー６３を介して光ファイバ６４に注入される。図１３
は記録ディスク６１のバンド構造を示す。

【００４０】図１３を参照するに、第１の波長ν₁は前
記量子ドット１５あるいは１５Ａに対応する量子ドット
Ｑ₁〜Ｑ₃の基底量子準位ＬｅおよびＬｈと実質的に共
鳴するように設定され、その結果電子は量子ドットＱ₁
〜Ｑ₃の各々において価電子帯基底量子準位Ｌｈから伝
導帯基底量子準位Ｌｅに励起される。そこで、前記第２
の波長ν₂を前記基底量子準位Ｌｅの電子が前記バリア
層１４あるいは１６に対応するバリア層Ｍ２を乗り越え
られるように設定しておくことにより、前記第１および
第２のレーザ６２，６２Ａを同時に駆動することで、前
記量子準位Ｌｅに光励起された電子を前記蓄積層１３に
対応する蓄積層Ｍ３のＸ点に効率良く遷移させる、換言
すると情報の書き込みを効率良く行なうことが可能にな
る。

【００４１】さらに、図１２の構成は、前記蓄積層Ｍ３
として図１４に示すＡｌＧａＡｓ等の直接遷移型の半導
体材料を使うことも可能にする。すなわち、量子ドット
ＭＱ₁〜Ｑ₃の各々において電子は波長がν₂の第２の
光ビームにより隣接するバリア層Ｍ２が形成するポテン
シャルバリアを乗り越えるに十分なエネルギまで励起さ
れるため、蓄積層Ｍ３のバンドギャップをバリア層Ｍ２
のバンドギャップよりもやや小さくしておくことによ
り、光励起された電子を蓄積層Ｍ３のΓ点に集めること
が可能である。図１４のバンド構造は、例えばバリア層
Ｍ２および蓄積層Ｍ３としてＡｌＧａＡｓを使い、層Ｍ
２，Ｍ３の組成ＡｌＧａ_1-xＡｓをバリア層Ｍ２におい
てバンドギャップが大きく蓄積層Ｍ３において小さくな
るように設定することで実現可能である。

【００４２】さらに、図１２の構成は、図１５に示すよ
うに量子ドットＱ₁〜Ｑ₃の各々において形成される電
子の基底量子準位Ｌｅが蓄積層Ｍ３のＸ点よりも低くな
るような場合でも、各量子ドットにおいて光励起された
電子はバリア層Ｍ２を乗り越え、隣接する蓄積層Ｍ３の
Ｘ点に集められる。換言すると、本実施例によれば、こ
のような場合でも記録ディスク６１への情報の光書き込
みが可能になる。

【００４３】以上、本発明を好ましい実施例について説
明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものでは
なく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内におい
て、様々な変形・変更が可能である。

【００４４】

【発明の効果】請求項１〜１９記載の本発明の特徴によ
れば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、
量子構造を含む活性層と、前記半導体基板上に、前記活
性層に隣接して形成された蓄積層とよりなる量子半導体
装置において、前記量子構造を：第１の格子定数と第１
の禁制帯幅とを有する第１の半導体結晶よりなるバリア
層と；前記バリア層中に形成され、前記第１の格子定数
とは異なる第２の格子定数と前記第１の禁制帯幅よりも
小さい第２の禁制帯幅とを有し、前記第１の半導体結晶
に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりなり、
各々量子準位を有する複数の自己組織化量子ドットとよ
り構成し、前記蓄積層を、Γ点における禁制帯幅が前記
第２の禁制帯幅よりも実質的に大きい間接遷移型の半導
体より構成し、前記第２の半導体結晶を、前記量子ドッ
トの量子準位エネルギが、前記蓄積層の伝導帯よりも高
くなるような組成とすることにより、量子準位の制御が
困難な自己組織化量子ドットを使った場合にも、光励起
された電子を自発的かつ速やかに、特別に外部電界等を
印加する必要なく蓄積層へと移動させることができる。
特に、請求項２に記載したように、前記蓄積層として間
接遷移型の半導体を使った場合、かかる電子の移動はい
わゆるΓ−Ｘトランスファとなり、蓄積層におけるキャ
リアの光励起は実質的に生じない。光励起された電子が
蓄積層に移動するために、量子ドット中に形成されるホ
ールは電子と空間的に分離され、その結果電子−ホール
の再結合による情報の消失が効果的に阻止される。

【００４５】特に請求項３記載の特徴によれば、前記バ
リア層を、前記キャリアのトンネリングが可能な厚さを
有するように形成することにより、光励起された電子が
バリア層を通って蓄積層に移動するのが促進される。請
求項４記載の本発明の特徴によれば、前記第１の半導体
結晶を、前記半導体基板に格子整合するような組成とす
ることにより、前記量子ドットと前記半導体基板とが歪
み系を構成し、量子ドットが自発的に自己組織化され
る。

【００４６】請求項５記載の本発明の特徴によれば、前
記活性層と前記蓄積層とを、交互に繰り返し積層するこ
とにより、量子半導体記憶装置中の量子ドットが、厚さ
方向に沿って実質的なエネルギ分布を有するようにな
る。その結果、書込み光ビームの波長を変化させること
により、多重光記録が可能になる。

【００４７】請求項６記載の本発明の特徴によれば、前
記積層半導体構造体の側面上に、前記蓄積層にオーミッ
ク接触するように接地電極を設けることにより、前記蓄
積層中における光励起された電子の蓄積、およびそれに
伴う蓄積層のポテンシャルの変化を解消することができ
る。請求項７記載の本発明の特徴によれば、前記量子構
造中において、前記中間層を複数回繰り返し積層し、前
記複数の中間層の各々において、各々の量子ドットを、
隣接する中間層中の対応する量子ドットと、前記半導体
基板の主面に垂直な方向に、実質的に整列するように形
成することにより、前記整列した複数の量子ドットが実
効的に単一の大きな量子ドットを形成する。その際、積
層回数を制御することにより、かかる大きな量子ドット
のエネルギを制御することが可能になる。そこで、かか
る大きな量子ドットのエネルギを制御することにより、
多重記録量子半導体記憶装置中に形成される量子ドット
による光吸収スペクトルを、ある程度自在に制御するこ
とが可能になる。

【００４８】請求項８〜１０記載の本発明の特徴によれ
ば、前記第２の半導体結晶をＩｎＰあるいはＡｌＧａＡ
ｓＰ等、Ｐを含む禁制帯幅の大きな半導体材料とするこ
とにより、自己組織化された、大きさの制御が困難な量
子ドットにおいても、量子ドット中に形成される量子準
位を蓄積層の伝導帯中のＸ点よりも高エネルギ側に位置
させることができる。

【００４９】請求項１１，１２記載の本発明によれば、
前記第２の半導体結晶をＧａＳｂとすることにより、量
子ドットの基底量子準位が全体として高エネルギ側にシ
フトし、その結果ホールの閉じ込めポテンシャルの大き
さが増大する。また、電子の基底準位が蓄積層のＸ点よ
りも高エネルギ側に位置するため、量子ドットにおいて
光励起された電子の蓄積層へのΓ−Ｘトランスファ機構
による脱出が実質的に促進される。

【００５０】請求項１３〜１５に記載の本発明の特徴に
よれば、さらに、前記量子ドットの基底量子準位間を共
鳴励起する第１の波長の第１の光ビームを照射する第１
の光源と、前記量子ドットの基底量子準位にある電子
を、前記バリア層の伝導帯上端を超えて励起する第２の
波長の第２の光ビームを照射する第２の光源とを設ける
ことにより、量子ドットにおいて光励起された電子をΓ
−Ｘトランスファ機構によらずに、効率的に蓄積層に逃
がすことが可能になる。

【００５１】請求項１６〜２０記載の本発明の特徴によ
れば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、
量子構造を含む活性層と、前記半導体基板上に、前記活
性層に隣接して形成された蓄積層とよりなる量子半導体
記憶装置において、前記量子構造を：第１の格子定数と
第１の禁制帯幅とを有する第１の半導体結晶よりなるバ
リア層と；前記バリア層中に形成され、前記第１の格子
定数とは異なる第２の格子定数と前記第１の禁制帯幅よ
りも小さい第２の禁制帯幅とを有し、前記第１の半導体
結晶に対して歪み系を形成する第２の半導体結晶よりな
り、各々量子準位を有する複数の自己組織化量子ドット
により形成し、さらに前記量子ドットの基底量子準位間
を共鳴励起する第１の波長の第１の光ビームを照射する
第１の光源と、前記量子ドットの基底量子準位にある電
子を、前記バリア層の伝導帯上端を超えて励起する第２
の波長の第２の光ビームを照射する第２の光源と設ける
ことにより、前記量子ドット中に形成される電子の量子
準位が蓄積層中の対応する量子準位よりもエネルギ的に
高くても低くても、量子ドット中で光励起された電子を
効率的に蓄積層に逃がすことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の多重記録量子ドット半導体記憶装置の動
作原理を説明するバンド構造図である。

【図２】（Ａ），（Ｂ）は、従来の自己組織化量子ドッ
トを使った量子半導体装置の構成を示す図である。

【図３】本発明の原理を説明する図である。

【図４】本発明の第１実施例による多重記録量子半導体
記憶装置の構成を示す図である。

【図５】図４の多重記録量子半導体記憶装置の書き込み
動作を説明する図である。

【図６】本発明の第２実施例による多重記録量子半導体
記憶装置の構成を示す図である。

【図７】本発明の第３実施例による多重記録量子半導体
記憶装置の構成を示す図である。

【図８】本発明の第４実施例による多重記録量子半導体
記憶装置の構成を示す図である。

【図９】本発明の第５実施例による多重記録量子半導体
記憶装置の構成を示す図である。

【図１０】本発明の第６実施例による多重記録量子半導
体記憶装置の構成を示す図である。

【図１１】本発明の第７実施例による、多重記録量子半
導体記憶装置を使った記録・再生装置の構成を示す図で
ある。

【図１２】本発明の第８実施例による、多重記録量子半
導体記憶装置を使った記録・再生装置の構成を示す図で
ある。

【図１３】本発明の第８実施例で使われる多重記録量子
半導体記憶装置のバンド構造を示す図である。

【図１４】図１３のバンド構造図の一変形例を示す図で
ある。

【図１５】図１３のバンド構造図の別の変形例を示す図
である。

【符号の説明】

１，１１基板２，１１Ａバッファ層３，１４，１４Ａ，１４Ｂ下側バリア層４，１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ量子ドット５，１６，１６Ａ，１６Ｂ上側バリア層１０，２０，３０，４０，５０，６１多重記録量子半
導体記憶装置１１Ｂ基板開口部１２エッチングストッパ層１３蓄積層１７キャップ層１８オーミック電極２１ＡｌＧａＡｓ層２２ＧａＡｓ層３１，６３，６３Ａハーフミラー６０光多重記録・再生装置６２，６２Ａ可変波長レーザ６４光ファイバ６５レンズ６６白色光源６７分光器６８フォトダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、前記半導体基板上に形成
された、量子構造を含む活性層と、前記半導体基板上
に、前記活性層に隣接して形成された蓄積層とよりなる
量子半導体装置において、前記量子構造は：第１の格子定数と第１の禁制帯幅とを
有する第１の半導体結晶よりなるバリア層と；前記バリ
ア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２
の格子定数と前記第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁
制帯幅とを有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系
を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々量子準位を
有する複数の自己組織化量子ドットとを含み、前記第２の半導体結晶は、前記量子ドットの量子準位エ
ネルギが、前記蓄積層の伝導帯よりも高くなるような組
成を有することを特徴とする量子半導体記憶装置。
【請求項２】前記蓄積層は、前記量子準位よりもエネ
ルギ的に低い位置に伝導帯のＸ点を有する間接遷移型半
導体よりなることを特徴とする請求項１記載の量子半導
体記憶装置。
【請求項３】前記バリア層は、前記キャリアのトンネ
リングが可能な厚さを有することを特徴とする請求項１
または２記載の量子半導体記憶装置。
【請求項４】前記第１の半導体結晶は、前記半導体基
板に格子整合するような組成を有することを特徴とする
請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の量子半導体記
憶装置。
【請求項５】前記活性層と前記蓄積層とは、交互に繰
り返し積層され、積層半導体構造体を形成することを特
徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の量子
半導体記憶装置。
【請求項６】前記積層半導体構造体の側面上に、前記
蓄積層にオーミック接触するように、接地電極を設けた
ことを特徴とする請求項５記載の量子半導体記憶装置。
【請求項７】前記量子構造中において、前記中間層は
複数回繰り返し積層され、前記複数の中間層の各々にお
いて、各々の量子ドットは、隣接する中間層中の対応す
る量子ドットと、前記半導体基板の主面に垂直な方向
に、実質的に整列することを特徴とする請求項１〜４の
うち、いずれか一項記載の量子半導体記憶装置。
【請求項８】前記第２の半導体結晶はＩｎＰであるこ
とを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載
の量子半導体記憶装置。
【請求項９】前記第１の半導体結晶はＩｎＧａＰ，Ａ
ｌＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓＰよりなる群より選択さ
れることを特徴とする請求項８記載の量子半導体記憶装
置。
【請求項１０】前記第２の半導体結晶はＩｎＡｓＰで
あり、前記第１の半導体結晶はＡｌＧａＡｓＰであるこ
とを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載
の量子半導体記憶装置。
【請求項１１】前記第２の半導体結晶はＧａＳｂであ
ることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項
記載の量子半導体記憶装置。
【請求項１２】前記第１の半導体結晶はＩｎＧａＰで
あることを特徴とする請求項１１記載の量子半導体記憶
装置。
【請求項１３】さらに、前記量子ドットの基底量子準
位間を共鳴励起する第１の波長の第１の光ビームを照射
する第１の光源と、前記量子ドットの基底量子準位にあ
る電子を、前記バリア層の伝導帯上端を超えて励起する
第２の波長の第２の光ビームを照射する第２の光源とを
備えたことを特徴とする請求項１〜１２のうち、いずれ
か一項記載の量子半導体記憶装置。
【請求項１４】前記蓄積層は、前記量子準位よりもエ
ネルギ的に低い位置に伝導帯のΓ点を有する間接遷移型
半導体よりなることを特徴とする請求項１記載の量子半
導体記憶装置。
【請求項１５】前記蓄積層はＡｌＧａＡｓよりなるこ
とを特徴とする請求項１４記載の量子半導体記憶装置。
【請求項１６】半導体基板と、前記半導体基板上に形
成された、量子構造を含む活性層と、前記半導体基板上
に、前記活性層に隣接して形成された蓄積層とよりなる
量子半導体記憶装置において、前記量子構造は：第１の格子定数と第１の禁制帯幅とを
有する第１の半導体結晶よりなるバリア層と；前記バリ
ア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２
の格子定数と前記第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁
制帯幅とを有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系
を形成する第２の半導体結晶よりなり、各々量子準位を
有する複数の自己組織化量子ドットと、前記量子ドットの基底量子準位間を共鳴励起する第１の
波長の第１の光ビームを照射する第１の光源と、前記量
子ドットの基底量子準位にある電子を、前記バリア層の
伝導帯上端を超えて励起する第２の波長の第２の光ビー
ムを照射する第２の光源とを備えたことを特徴とする量
子半導体記憶装置。
【請求項１７】前記第２の半導体結晶は、前記量子ド
ットの量子準位エネルギが、前記蓄積層の伝導帯に等し
いか低くなるような組成を有することを特徴とする請求
項１６記載の量子半導体記憶装置。
【請求項１８】前記蓄積層は、前記量子準位よりもエ
ネルギ的に高い位置に伝導帯のＸ点を有する間接遷移型
半導体よりなることを特徴とする請求項１６または１７
記載の量子半導体記憶装置。
【請求項１９】前記蓄積層は、前記量子準位よりもエ
ネルギ的に低い位置に伝導帯のＸ点を有する間接遷移型
半導体よりなることを特徴とする請求項１６記載の量子
半導体記憶装置。
【請求項２０】前記第２の半導体結晶は、前記量子ド
ットの量子準位エネルギが、前記蓄積層の伝導帯よりも
高くなるような組成を有することを特徴とする請求項１
９記載の量子半導体記憶装置。