(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された量子箱から構成された光吸収層と、
前記光吸収層よりバンドギャップエネルギーが大きく前記半導体基板に格子整合し、前記光吸収層を覆うように前記半導体基板上に形成された埋め込み層と、
前記埋め込み層よりバンドギャップエネルギーが大きく前記半導体基板に格子整合し、前記埋め込み層上にヘテロ接合して形成されたバリア層と、
前記バリア層上にオーミック接合して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挾むように前記バリア層上にオーミック接合して形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記埋め込み層と前記バリア層との界面に接触して前記ソース電極および前記ドレイン電極下に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記基板裏面にオーミック接合して形成された電極と
を備えたことを特徴とする半導体光メモリ。
【請求項２】
半導体基板上に形成された量子細線から構成された光吸収層と、
前記光吸収層よりバンドギャップエネルギーが大きく前記半導体基板に格子整合し、前記光吸収層を覆うように前記半導体基板上に形成された埋め込み層と、
前記埋め込み層よりバンドギャップエネルギーが大きく前記半導体基板に格子整合し、前記埋め込み層上にヘテロ接合して形成されたバリア層と、
前記バリア層上にオーミック接合して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挾んで前記量子細線の延在方向に対して垂直な方向に配置され、前記バリア層上にオーミック接合して形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記埋め込み層と前記バリア層との界面に接触して前記ソース電極および前記ドレイン電極下に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記基板裏面にオーミック接合して形成された電極と
を備えたことを特徴とする半導体光メモリ。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体光メモリにおいて、
前記光吸収層が、前記埋め込み層内に複数層形成されていることを特徴とする半導体光メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子箱もしくは量子細線を用いた光吸収層による半導体光メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５を用いて、従来よりある半導体光メモリの構成に関して説明する。
この半導体光メモリは、材料としてあるＧａＡｓ系、光吸収層として量子箱を用いた場合を例に説明する。
この半導体光メモリは、図５（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板５０１上に、まず、ＩｎＡｓからなるサイズが１０ｎｍ程度の量子箱からなる光吸収層５０２が形成されている。また、その光吸収層５０２を覆うように、基板５０１上にＧａＡｓからなる埋め込み層５０３が形成されている。そして、その埋め込み層５０３上に、ショットキー接合してショットキー電極５０４が形成され、一方、基板５０１裏面にオーミック接合したオーミック電極５０５が形成されているる。
【０００３】
次に、この半導体光メモリの動作を、図５（ｂ）のバンドギャップを用いて説明する。このバンドギャップは、逆バイアスを印加した動作時の状態を示している。
書き込みのための光を入射すると、この光は光吸収層５０２で吸収され、電子と正孔の対である電子・正孔対がこの光吸収層５０２の層で生成される。
この光吸収層５０２内で生成された電子は、有効質量が小さいために熱励起やトンネル効果により光吸収層５０２の層から脱出し、印加電界によりオーミック電極５０５側に流れ、光電流として外部から観測できる。一方、正孔は有効質量が大きいために光吸収層５０２の層にとどまることになる。これが光情報の記録（光メモリ状態）になる。
【０００４】
引き続いて読み出し光を照射すると、光吸収層５０２内には書き込みのための光入射により生成して残った正孔が存在するため、その読み出し光の吸収は起こらず、光吸収層５０２において電子・正孔対は生成されない。したがって、光電流は流れない。このように、読み出し光に対する、オーミック電極５０５側に流れる光電流の有／無で、この半導体光メモリに記憶された光情報を読みとることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した光半導体メモリでは、ショットキー電極５０４とオーミック電極５０５との間に印加するバイアス電圧が０の場合、書き込みのための光入射により生成した正孔が、光吸収層５０２にとどまるため、この半導体光メモリに新たな書き込みをするためには、その正孔を掃き出さなくてはならない。この、正孔を光り吸収層５０２より掃き出すためには、−１５Ｖ以上の逆バイアス電圧の印加が必要となる。このように大きな逆バイアス電圧の印加をすると、ブレークダウンが起きたり、暗電流が大きくなる。一方、逆バイアス電圧を常に印加しておく場合、印加している電界により光り吸収層５０２における正孔が掃き出される結果、光メモリ時間が１ｍｓと短かった。
すなわち、上述した構成の従来の半導体光メモリでは、一度データの書き込みを行うと、これを消去するために高い電圧を印加する必要があり、素子に対するダメージが大きいという問題があった。また、消去をしやすくするために、常に逆バイアスをかけておくようにすると、光メモリ状態の保持時間が１ｍｓと短いという問題があった。
【０００６】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、素子に対してダメージを与えることなく光メモリ状態を消去できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の半導体光メモリは、半導体基板上に形成された量子箱から構成された光吸収層と、その光吸収層よりバンドギャップエネルギーが大きく半導体基板に格子整合して光吸収層を覆うように半導体基板上に形成された埋め込み層と、その埋め込み層よりバンドギャップエネルギーが大きく半導体基板に格子整合して埋め込み層上にヘテロ接合して形成されたバリア層と、そのバリア層上にオーミック接合して形成されたゲート電極と、そのゲート電極を挾むようにバリア層上にオーミック接合して形成されたソース電極およびドレイン電極と、埋め込み層とバリア層との界面に接触してソース電極およびドレイン電極下に形成されたソース領域およびドレイン領域と、基板裏面にオーミック接合して形成された電極とを備えるようにした。
したがって、光の入射により光吸収層の量子箱で生成された電子・正孔対の電子が、ヘテロ界面に蓄積され、ソース・ドレイン間に電流が流れるようになる。そして、その蓄積された電子は、ゲート電極に負の電圧が印加されることで、光吸収層に押し出され、正孔と再結合して消滅する。
また、この発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された量子細線から構成された光吸収層と、その光吸収層よりバンドギャップエネルギーが大きく半導体基板に格子整合して光吸収層を覆うように半導体基板上に形成された埋め込み層と、その埋め込み層よりバンドギャップエネルギーが大きく半導体基板に格子整合して埋め込み層上にヘテロ接合して形成されたバリア層と、そのバリア層上にオーミック接合して形成されたゲート電極と、そのゲート電極を挾んで量子細線の延在方向に対して垂直な方向に配置されてバリア層上にオーミック接合して形成されたソース電極およびドレイン電極と、埋め込み層とバリア層との界面に接触してソース電極およびドレイン電極下に形成されたソース領域およびドレイン領域と、基板裏面にオーミック接合して形成された電極とを備えるようにした。
したがって、光の入射により光吸収層の量子細線で生成された電子・正孔対の電子が、ヘテロ界面に蓄積され、ソース・ドレイン間に電流が流れるようになる。そして、その蓄積された電子は、ゲート電極に負の電圧が印加されることで、光吸収層に押し出され、正孔と再結合して消滅する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態における半導体光メモリの構成を示す概略的な断面図であり、ここでは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系を例にする。
この半導体光メモリは、まず、ＧａＡｓからなる厚さ４００ｎｍ程度の基板１０１上に、ＩｎＡｓの量子箱からなる光吸収層１０２が形成されている。この量子箱は、大きさが１０ｎｍ程度に形成すればよい。また、光吸収層１０２を覆うように、基板１０１上にノンドープのＧａＡｓからなる膜厚２００ｎｍ程度の埋め込み層１０３形成されている。また、埋め込み層１０３上には、ノンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる膜厚３２０ｎｍのバリア層１０４が形成されている。
【０００９】
また、バリア層１０４上には、ゲート電極１０５が形成され、そのバリア層１０４上で、ゲート電極１０５を挾むようにソース電極１０６およびドレイン電極１０７が形成されている。
また、ソース電極１０６下には、埋め込み層１０３に一部がかかるように不純物が導入されたソース領域１０８が形成されている。同様に、ドレイン電極１０７下には、埋め込み層１０３に一部がかかるように不純物が導入されたドレイン領域１０９が形成されている。
そして、基板１０１裏面には、書き込み光や読み出し光が入射できるように、リング状の電極１１０が形成されている。
【００１０】
なお、ゲート電極１０５およびソース電極１０６，ドレイン電極１０７が良好なオーミック接合となるために、ドナー不純物を高濃度に添加したｎ+-ＧａＡｓからなる薄い層をバリア層１０４上に備えるようにしてもよい。
同様に、電極１１０が良好なオーミック接合となるために、ドナー不純物を高濃度に添加したｎ+-ＧａＡｓからなる薄い層を、基板１０１裏面に備えるようにしてもよい。
また、上述では、光吸収層１０２として量子箱を用いるようにしたが、これに限るものではない。ソース・ドレイン方向に対して垂直な方向に延在する量子細線を用いるようにしてもよい。そして、この場合、細線の断面の大きさが、例えば１０ｎｍ程度となるようにすればよい。
【００１１】
以下、この実施の形態における半導体光メモリの動作について説明する。
図１に示した半導体光メモリのバンド構造は、図２に示すようになる。図２では、ゲート電圧Ｖg ＝０の状態である。この状態で書き込み光を照射すると、この光は光吸収層１０２で吸収され、電子・正孔対が光吸収層１０２内に生成される。そして、光吸収層１０２内で生成された電子は、熱励起あるいはトンネル効果により光吸収層１０２から吐き出され、埋め込み層１０３とバリア層１０４とのヘテロ界面に蓄積される。この界面に蓄積された電子により、ソース領域１０８とドレイン領域１０９との間に電流が流れる。
【００１２】
なお、入射光の波長は、光吸収層で吸収される光の波長を選択する。ただし、入射する光の波長によっては、熱励起あるいはトンネル効果によらず、電子が直接伝導帯に生成されることもある。
また、埋め込み層１０３を適当に薄くすることや、ゲート電極１０５に正の電圧を印加することにより、光吸収層１０２内の電子の脱出トンネル確率を増加させることができる。
【００１３】
以上の電子に対して、光吸収層１０２内に生成した正孔は、有効質量が大きく電界が加わっていないので、そのまま光吸収層１０２内にとどまる。このような状態の時に、例えば読み出し光を照射しても、すでに光吸収層１０２内に正孔が存在するので光吸収は起こらない。したがって、埋め込み層１０３とバリア層１０４とのヘテロ界面の電子数が増加しないので、ソース領域１０８とドレイン領域１０９との間の電流は変化しない。
【００１４】
ここで、ゲート電極１０５に例えば−１．０Ｖの負の電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、埋め込み層１０３とバリア層１０４とのヘテロ界面から電子が光吸収層１０２に戻り、そこに残っていた正孔と再結合して消滅する。
そして、光吸収層の正孔と再結合しない限り埋め込み層１０３とバリア層１０４とのヘテロ界面には電子が存在しているので、この半導体光メモリでは、ソース領域１０８（ソース電極１０６）とドレイン領域１０９（ドレイン電極１０７）の間に適当な電圧を印加すると、常に電流が流れる。そして、この光メモリ状態は、数時間から数日にもおよんで長時間保持される。
【００１５】
このように、この実施の形態によれば、まず、一度書き込み光の照射することで、光吸収層１０２に正孔，埋め込み層１０３とバリア層１０４とのヘテロ界面に電子が蓄積された光メモリ状態が長時間保持されるようになる。そして、ゲート電極１０５に負の電圧を印加することで、容易にメモり状態を解消することができる。
なお、上述では、光吸収層１０２を１層としたが、これに限るものではなく、複数層備えるようにすれば、書き込み光による光メモリ状態と非光メモリ状態との電流変化分が大きくとれる。
【００１６】
ところで、上述では、まず、ゲート電圧Ｖg ＝０、ソース・ドレイン間電圧Ｖsdの状態で書き込み光を照射して光メモリ状態とし（図３（ａ））、その後で、ソース・ドレイン間に電圧を印加し（図３（ｂ））、そのときに流れる電流の大小で光りメモり情報を読み出す。そして、その後で、リセットすることで、光メモリ状態を消去するようにしていた（図３（ｂ））。
しかし、それらに限るものではなく、図４に示すように、光メモリ状態で読み出し光を入射した場合と、非光メモリ状態で読み出し光を入射した場合との差を見るようにしてもよい。
【００１７】
すなわち、まず、ソース・ドレイン間に電圧を印加した状態とする。このとき図４（ａ），（ｂ）に示すように、書き込み光を照射する前までは、ソース・ドレイン電流は流れない。次いで、書き込み光を照射すると、ソース・ドレイン電流が流れる。ここで、書き込み光を照射した後で、読み出し光を照射しても、ソース・ドレイン電流は流れたままであり、変化はない。次いで、リセットすると、ソース・ドレイン電流は流れなくなる。そしてこの後、読み出し光を照射すると、今度はソース・ドレイン電流が流れるようになる。
【００１８】
ところで、上述では、バリア層としてＡｌＧａＡｓを用いるようにしたが、酸化しやすいアルミニウムを含まず、ＧａＡｓに格子整合したＩｎＧａＰやＩｎＧａＡｓＰをバリア層に用いるようにしてもよい。
また、光吸収層を埋め込むように形成する埋め込み層として、ＧａＩｎＮＡｓ（例えばＧａ0.97Ｉｎ0.03Ｎ0.01Ａｓ0.99）を用い、量子箱もしくは量子細線をＧａＩｎＮＡｓ（例えばＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.01Ａｓ0.99）を用い、バリア層としてＧａＡｓを用いるようにしてもよい。
【００１９】
また、ＩｎＰを基板として用い、これに格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰからなる量子箱もしくは量子細線を光吸収層に用い、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰをバリア層に用いるようにしてもよい。
また、ＳｉＣ，ＧａＮあるいはサファイア（０００１）Ｃ面を用い、量子箱や量子細線としてＩｎＧａＮ（Ｉｎ0.43Ｇａ0.57Ｎ）を用い、その埋め込み層としてＡｌＧａＮ（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ）、そして、バリア層としてＧａＮを用いるようにしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、半導体基板上に形成された量子箱から構成された光吸収層と、その光吸収層よりバンドギャップエネルギーが大きく半導体基板に格子整合して光吸収層を覆うように半導体基板上に形成された埋め込み層と、その埋め込み層よりバンドギャップエネルギーが大きく半導体基板に格子整合して埋め込み層上にヘテロ接合して形成されたバリア層と、そのバリア層上にオーミック接合して形成されたゲート電極と、そのゲート電極を挾むようにバリア層上にオーミック接合して形成されたソース電極およびドレイン電極と、埋め込み層とバリア層との界面に接触してソース電極およびドレイン電極下に形成されたソース領域およびドレイン領域と、基板裏面にオーミック接合して形成された電極とを備えるようにした。
また、その光吸収層を量子細線から構成し、ソース電極およびドレイン電極が、ゲート電極を挾んで量子細線の延在方向に対して垂直な方向に配置されるようにした。
【００２１】
したがって、光の入射により光吸収層の量子細線で生成された電子・正孔対の電子が、ヘテロ界面に蓄積され、ソース・ドレイン間に電流が流れるようになる。そして、その蓄積された電子は、ゲート電極に負の電圧が印加されることで、光吸収層に押し出され、正孔と再結合して消滅する。すなわち、ヘテロ接合面に電子が蓄積されることによる光メモリ状態は、ゲート電極に負の電圧を印加することで容易に消去できるようになり、素子にダメージを与えることなく消去が可能となる。また、バイアス電圧を印加しておく必要がないので、その光メモリ状態は、数時間から数日にもおよんで長時間保持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態における半導体光メモリの構成を示す概略的な断面図である。
【図２】  図１に示した半導体光メモリのバンド構造を示すバンド図である。
【図３】  書き込みと読み出しの状態を示す説明図である。
【図４】  書き込みと読み出しの状態を示す説明図である。
【図５】  従来の半導体光メモリの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…光吸収層、１０３…埋め込み層、１０４…バリア層、１０５…ゲート電極、１０６…ソース電極、１０７…ドレイン電極、１０８…ソース領域、１０９…ドレイン領域、１１０…電極。
【図１】
0003708703.tif 000002
【図２】
0003708703.tif 000003
【図３】
0003708703.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003708703.tif 000006