(57)【要約】【目的】量子ドットを有する光半導体記憶装置の書き込み読出し方法に関し、記録保持時間をさらに長くするとともに、実用化すること。【構成】半導体層中に形成された量子ドット８２a〜８２eに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層から流れる電流の変化により前記情報を読み出すこと。【選択図】  図２５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層中に形成された量子ドットに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、
前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層から流れる電流の変化により前記情報を読み出すことを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項２】
半導体層中に形成された量子ドットに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、
前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層を透過する光量により、前記情報を読み出すことを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項３】
前記半導体層はｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に形成され、前記書込みの際には該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層に逆バイアス電圧を印加し、前記読出しの際には該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層にバイアス電圧を印加しないか又は順バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項４】
前記量子ドットを有する前記半導体層は、バイポーラトランジスタのエミッタ又はベースを構成し、
前記情報を読み出す際には、前記バイポーラトランジスタの前記ベースとコレクタの間には光照射によりアバランシェ崩壊を起こす大きさの電圧が印加されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項５】
前記量子ドットを有する前記半導体層は、バイポーラトランジスタのエミッタ又はベースを構成し、
前記情報の書込み時には、前記バイポーラトランジスタの前記エミッタと前記ベース間に逆バイアスを印加し、前記ベースとコレクタの間にはバイアス電圧を印加せず、
前記情報の読出し時には、前記エミッタと前記ベースの間にはバイアス電圧を印加せず、前記ベースと前記コレクタの間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項６】
前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットを有し、前記情報の読出しの際には該エネルギー差に対応した複数の波長の光を連続的に変化させて前記量子ドットに照射することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項７】
前記量子ドットを有する前記半導体層は受光素子の一部を構成し、前記情報の読出しの際には該受光素子の光照射波長による分光感度特性の差異の変化により複数の前記量子ドットの前記情報を読み出すことを特徴とする請求項２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項８】
前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットを有し、前記情報の書込み、前記情報の読出しの際にはこれらのエネルギー差に対応した複数の波長の光を同時に照射することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項９】
前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットは膜厚方向に配置され、前記情報の書込みの際には、光照射によってキャリアが移動する方向の順にしたがって前記量子ドットに情報を書き込むことを特徴とする請求項８記載の光半導体装置の書込み読出方法。
【請求項１０】
前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットは膜厚方向に配置され、前記情報の読出の際には、光照射によるキャリアの移動方向と逆方向の順にしたがって前記量子ドットの情報を読み出すことを特徴とする請求項８記載の光半導体装置の書込み読出方法。
【請求項１１】
前記量子ドットを有する半導体層に電界を生じさせて前記量子ドットに電子を供給して前記情報を初期化することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項１２】
前記量子ドットを有する半導体層に電流を流すことにより前記情報の書込みを禁止することを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【請求項１３】
半導体層内に量子ドットが複数存在し、複数の前記量子ドットのうち最も小さい前記基底準位間のエネルギー差よりも大きく、且つ前記半導体層のエネルギーバンドギャップよりも小さい範囲のエネルギー幅を有する光を前記量子ドットに照射して前記量子ドットの全てをホールバーニング状態にすることを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体記憶装置の書込み読出し方法に関し、より詳しくは量子ドットを有する光半導体記憶装置の情報の書込み、読出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信技術の飛躍的な進歩により、光デバイスと電子デバイスのそれぞれの特徴を生かしたシステムの構築が望まれている。
【０００３】
光デバイスの特徴は、高速性、並列処理の可能性が電子デバイスと比較して高いことである。これまでにも光デバイスを用いた記憶装置（メモリデバイス）が種々提案されているが、具体化されたものはいままでにない。
【０００４】
これは、メモリセルを光デバイスから構築したとしても、周辺の理論回路やスイッチング回路が電子デバイスで構成されている現状では、光デバイスと電子デバイスをそれぞれ特徴をもたせて活用することが重要な課題となるからである。また、光メモリの明確なデバイス概念もないのが実情である。
【０００５】
量子ドット（量子箱）の基底準位間の遷移エネルギが極めて急峻な光吸収スペクトルを持つこと、また、光の吸収飽和が強ければ光による情報の書込み、読出しが可能であるので、量子ドットを光メモリとして使用することが考えられている。また、量子ドットの形状、サイズを変化させると量子ドットごとの吸収波長を変化させることができ、多重波長で情報を記憶させることが可能になる。１つの量子ドットに１ビットの情報を記憶できると、１０nm×１０nmの領域に１ビット、１cm2 の領域に１テラビット程度の記憶が可能になる。
【０００６】
このような波長多重メモリは、Shunichi Muto, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.34 (1995) pp.L210-L212 において提案されている。
【０００７】
この波長多重メモリは、主面が傾斜したAlAs基板とその上に形成されたIII-Ｖ族化合物半導体層とによって構成される。そのAlAs基板の主面には傾斜により２つの方向に段差が形成され、その段差のコーナーにGaAsが形成されその周囲にAlGaAs層が形成されている。これによりAlGaAs層に囲まれたGaAsは量子箱となる。  この多重波長メモリの１つの量子箱とその周辺の層の部分的なバンドダイアグラムを示すと図３０のようになる。
【０００８】
そして、量子箱のバンドダイアグラムにおいて、価電子帯と伝導帯のそれぞれの基底準位間のセパレーションエネルギーと同じエネルギーをもつ光を照射すると、量子箱の価電子帯の基底準位からから伝導帯の基底準位に電子が遷移して電子・正孔対が生成する。
【０００９】
ここで、電子はトンネル確率が高く、また、AlAsのＸ点バンドエネルギーが低いために、AlGaAsバリアをトンネルして量子ドットの外部に移動する。電子の移動は電流の変化として検出される。
【００１０】
これに対して正孔は外部に出にくいために、正孔だけが量子箱に残された状態となる。この状態において、同じ波長の光が照射されても正孔が存在するために強い吸収飽和を起こしているので、光の吸収がほとんど起きなくなる。
【００１１】
このような現象を利用して光による情報の書込み、読出しが可能になる。また、サイズや形状の異なる複数の量子箱を用いれば、量子箱毎に書込み、読出し用の波長も相違することになるので、多重の波長で多数の情報を記憶することが可能になる。これにより、多重波長メモリが得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、そのような多重波長メモリは、量子箱から出た電子がまた量子箱に戻って再結合する確率が大きいので、保持時間が１〜１０ｍｓ程度と短くなっている。また、吸収飽和が存在するか否かを光の吸収で検知する必要があり、そのための具体的な構造については示されいない。
【００１３】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、記録保持時間をさらに長くするとともに、実用可能な光半導体記憶装置の書込み読出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した課題は、半導体層中に形成された量子ドットに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層から流れる電流の変化により前記情報を読み出すことを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法によって解決する。
【００１５】
または、上記した課題は、半導体層中に形成された量子ドットに光を照射し、該量子ドットの伝導帯と価電子帯の各基底準位間のエネルギー差に対応する波長の光を照射してホールバーニングを生じさせて情報を書き込むとともに、前記量子ドットに前記波長の光を照射して前記半導体層を透過する光量により、前記情報を読み出すことを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法により解決する。
【００１６】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記半導体層はｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に形成され、前記書込みの際には該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層に逆バイアス電圧を印加し、前記読出しの際には該ｎ型半導体層と該ｐ型半導体層にバイアス電圧を印加しないか又は順バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【００１７】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する前記半導体層は、バイポーラトランジスタのエミッタ又はベースを構成し、前記情報を読み出す際には、前記バイポーラトランジスタの前記ベースとコレクタの間には光照射によりアバランシェ崩壊を起こす大きさの電圧が印加されていることを特徴とする。
【００１８】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する前記半導体層は、バイポーラトランジスタのエミッタ又はベースを構成し、光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、  前記情報の書込み時には、前記バイポーラトランジスタの前記エミッタと前記ベース間に逆バイアスを印加し、前記ベースとコレクタの間にはバイアス電圧を印加せず、前記情報の読出し時には、前記エミッタと前記ベースの間にはバイアス電圧を印加せず、前記ベースと前記コレクタの間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【００１９】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットを有し、前記情報の読出しの際には該エネルギー差に対応した複数の波長の光を連続的に変化させて前記量子ドットに照射することを特徴とする。
【００２０】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する前記半導体層は受光素子の一部を構成し、前記情報の読出しの際には該受光素子の光照射波長による分光感度特性の差異の変化により複数の前記量子ドットの前記情報を読み出すことを特徴とする。
【００２１】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットを有し、前記情報の書込み、前記情報の読出しの際にはこれらのエネルギー差に対応した複数の波長の光を同時に照射することを特徴とする。この場合、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットは膜厚方向に配置され、前記情報の書込みの際には、光照射によってキャリアが移動する方向の順にしたがって前記量子ドットに情報を書き込むことを特徴とする。また、前記基底準位間のエネルギー差が異なる複数の前記量子ドットは膜厚方向に配置され、前記情報の読出の際には、光照射によるキャリアの移動方向と逆方向の順にしたがって前記量子ドットの情報を読み出すことを特徴とする。
【００２２】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する半導体層に電界を生じさせて前記量子ドットに電子を供給して前記情報を初期化することを特徴とする。
【００２３】
光半導体記憶装置の書込み読出し方法において、前記量子ドットを有する半導体層に電流を流すことにより前記情報の書込みを禁止することを特徴とする。
【００２４】
または、半導体層内に量子ドットが複数存在し、複数の前記量子ドットのうち最も小さい前記基底準位間のエネルギー差よりも大きく、且つ前記半導体層のエネルギーバンドギャップよりも小さい範囲のエネルギー幅を有する光を前記量子ドットに照射して前記量子ドットの全てをホールバーニング状態にすることを特徴とする光半導体記憶装置の書込み読出し方法によって解決する。
【００２５】
本発明によれば、量子ドットを有する半導体層を第１及び第２の導電膜によって挟み、その導電膜間に電界を発生させてホールバーニングによって量子ドットから放出された電子を量子ドットに戻り難くしている。
【００２６】
また、他の本発明によれば、第一導電型不純物含有半導体層の上に、内部に量子ドットを有するキャリア障壁半導体層を形成して波長多重メモリを構成しているので、光照射によってホールバーニングが生じると、量子ドットから出た電子は第一導電型不純物含有半導体層に流れ出る確率が高くなり、量子ドットにキャリアが流れて再結合が生じる確率は低くなる。
【００２７】
情報の書込みは、量子ドットに光を照射してホールバーニングを生じさせるか、光を照射せずにホールバーニングを生じさせないかによって情報の書込みを行う。例えばホールバーニグが生じている場合にはデータを「１」、それが生じていない場合にはデータを「０」とする。
【００２８】
このようにして書込まれた情報は、同じ波長の光を照射して読み出され、光照射によって半導体層に流れる電流の変化やその光の吸収量の変化によって「１」と「０」を判断する。
【００２９】
量子ドットにデータ「０」が書き込まれている場合には、読み出し用の光によって量子ドット内では電子正孔対が生じるので、量子ドット内で光の吸収が生じたり電子が外部に流れたりする。これによりデータ「０」が書き込まれていたと判断する。
【００３０】
光照射によって量子ドットから電子が放出される場合には、上記した第一導電型不純物半導体層をｎ型半導体層とすることにより、量子ドットの量子準位と第一導電型不純物半導体層のエネルギー的に分離されるので、拡散電位によって量子ドットに電子が戻り難くなる。
【００３１】
量子ドットにデータ「１」が書き込まれている場合には、読み出し用の光によって量子ドット内では電子正孔対が生じないので、量子ドットにより光吸収されたり電子が外部に移動することはない。これによりデータ「１」が書き込まれていたと判断する。
【００３２】
情報の書き込みや読み出しに使用される光は、量子ドットの伝導帯と価電子帯の基底準位間のエネルギー差に対応する波長に限られる。このため、量子ドットのサイズを異ならせることによって書き込みや読み出しに使用する光の波長が異なってくるので、量子ドットのサイズの相違する数によって記憶素子のビット数が決定される。
【００３３】
情報の初期化は量子ドットへの電子の注入によって行われ、例えば量子ドットの周囲の半導体層に電界をかけたり光を照射することなどによって行われる。
【００３４】
情報を破壊しないためには、情報保存や情報読出しの際に、量子ドットの周囲のエネルギーバリアが厚くなるように量子ドットの周囲の不純物含有半導体層にバイアス電圧を印加する。
【００３５】
フォトダイオードやバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタなどの能動素子の一部に量子ドットを含む半導体層を採用すると、これによって光半導体記憶素子が構成される。能動素子を基本構造に採用することによって、情報読み出しの際に流れる電流を増幅したり、光量を電気信号に変換することが可能になり、情報の読み出しが容易になる。
【００３６】
量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合には、光エネルギーを経時的に変化させて情報を書き込むか、或いは大きさの異なる複数の光エネルギーを混合させて同時に情報を書き込むかのいずれかである。エネルギーを変化させて光を量子ドットに照射する場合には、既に書き込まれた量子ドットの情報の破壊を防止するために、キャリアの移動方向に並んだ順に従って書き込むのが望ましい。
【００３７】
また、量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合には、光エネルギーを経時的に変化させて情報を読み出すのが好ましい。ただし、まだ読み出されていない量子ドットの情報の破壊を防止するためには、キャリアの移動方向と反対方向に並んだ順に従って書き込むのが望ましい。
【発明の効果】
【００３８】
以上述べたように本発明によれば、量子ドットを有する半導体層を第１及び第２の導電膜によって挟み、その導電膜間に電界を発生させてホールバーニングによって量子ドットから放出された電子を量子ドットに戻り難くしている。
【００３９】
また、他の本発明によれば、第一導電型不純物含有半導体層の上に、内部に量子ドットを有するキャリア障壁半導体層を形成して波長多重メモリを構成しているので、光照射によってホールバーニングが生じると、量子ドットから出た電子は第一導電型不純物含有半導体層に流れ出る確率が高くなり、量子ドットにキャリアが流れて再結合が生じる確率は低くなる。
【００４０】
これらの発明において、半導体層内に量子ドットを形成し、これに光を照射してホールバーニングを生じさせるか、光を照射せずにホールバーニングが生じさせないかによって情報の書込みを行っているので、ホールバーニグが生じているか否かによってデータの書き込みが可能になる。
【００４１】
書込まれた情報は、同じ波長の光を照射して読み出され、光照射によって半導体層に流れる電流の変化やその光の吸収量の変化によって「１」と「０」を判断できる。
【００４２】
情報の書き込みや読み出しに使用される光は、量子ドットの伝導帯と価電子帯の基底準位間のエネルギー差に対応する波長に限られるため、量子ドットのサイズを異ならせることによって書き込みや読み出しに使用する光の波長が異なってくるので、量子ドットのサイズの相違する数によって記憶素子のビット数を決定できる。
【００４３】
ホールバーニングが生じさせるか否かによって情報の書き込みを行っているので、情報の初期化は量子ドットへの電子の注入によって行うことができる。
【００４４】
情報保存や情報読出しの際に、量子ドットの周囲のエネルギーバリアが厚くなるようにバイアス電圧を印加すると、情報の破壊を防止できる。
【００４５】
以上のような量子ドットを含む半導体層を能動素子の一部に採用することによって光半導体記憶素子を構成しているので、情報読み出しの際に流れる電流を増幅したり、光量を電気信号に変換することが可能になり、情報の読み出しが容易になる。
【００４６】
量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合に、エネルギーを変化させて書込み用の光を量子ドットに照射する場合には、キャリアの移動方向に並んだ順に従って書き込むようにすると、既に書き込まれた量子ドットの情報の破壊を防止できる。
【００４７】
また、量子ドットを膜厚方向に複数形成し、それらのサイズが異なる場合に、キャリアの移動方向と反対方向に並んだ順に従って書き込むようにすると、光エまだ読み出されていない量子ドットの情報の破壊を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の光半導体記憶素子の製造工程を図１(a) 〜(c) を参照して説明する。以下に述べるIII-Ｖ族半導体は、例えばＭＢＥ装置を用いて成長される。
【００５０】
まず、主面が（１１１）面から微傾斜した面を主面とするｎ型のGaAs基板１を用意する。そして、図１(a) に示すように、GaAs基板１の主面上に不純物濃度１×１０18atoms/cm3 のｎ型GaAs層２を５０nmの厚さに形成し、さらにｎ型GaAs層２の上にアンドープのAl０．５Ga０．５As層３を２５nmの厚さに形成する。続いて、Al０．５Ga０．５As層３の上にInAs層４を数原子層 (atomic layer、以下ＭＬという) の厚さに形成する。  次に、図１(b) に示すように、再びアンドープのAl０．５Ga０．５As層３を２５nmの厚さに成長してInAs層４を内包した状態にする。２回目のAl０．５Ga０．５As層３を形成した後には、Al０．５Ga０．５As層３とInAs層４の格子定数の違いが原因でInAs層４はドロップレット状に形状に変化する。即ち、ドロップレット状のInAs層４は量子ドット（量子箱）４ａになる。量子ドット４ａは、成長温度が高くなるに従ってその径が大きくなり、例えば４５０℃では平均サイズが１５nm程度となる。また、同じサイズの量子トッド４ａは複数個存在する。
【００５１】
（１１１）面から数度傾斜した面の上に量子ドット４ａを形成すると、量子ドット４ａとなるInAs層４の成長条件を調整することにより、図２に示すように、傾斜に生じる結晶の段毎にサイズの異なる量子ドット４ａが複数個存在する。基本的には、量子ドット４ａのサイズや形状が異なると量子ドット４ａのポテンシャル井戸幅が相違し、ひいては量子ドット４ａ内で光吸収による電子正孔対生成のための光のエネルギー（波長）が異なる。
【００５２】
この後に、図１(c) に示すように、アンドープのAl０．５Ga０．５As層３の上にｐ型のAl０．５Ga０．５As層４を２００nmの厚さに成長する。このｐ型のAl０．５Ga０．５As層５の不純物濃度は１×１０18atoms/cm3 とする。このAl０．５Ga０．５As層５はキャリア障壁（バリア）層となる。
【００５３】
なお、量子ドットの形成については、J. Y. Marchin et al., Photoluminesence of Single InAs Quantum Dots Obtained by Self-Organized Growth on GaAs, Physical Review Letters Vol.73, No. 5. 1994, pp.716-719 に記載されており、ドットサイズや形状は成長温度、InとAsのモル比などにより制御できる。
【００５４】
そして、図１(d) に示すように、ｎ型のGaAs基板１の底面にｎ側電極１ａを形成し、ｐ型のAl０．５Ga０．５As層５の上にｐ側電極５ａを形成する。
【００５５】
これにより波長多重メモリとよばれる光半導体記憶素子の基本的な構造が完成する。
【００５６】
１つの量子ドット４ａとその周囲の半導体層のエネルギーバンドを示すと図３(a) のようになる。
【００５７】
そして、量子ドット４ａに光を照射すると、図３(b) に示すように、価電子帯（Ｅv ）から伝導帯（Ｅc ）へ電子が遷移して電子・正孔対が生成される。その光のエネルギー（波長）ｈｖは、価電子帯の基底準位と伝導帯の基底準位の間のエネルギー（以下に、セパレーションエネルギーという）と同じ大きさとする。セパレーションエネルギーと異なるエネルギーの光を照射しても電子・正孔対は生成されない。電子・正孔対の生成に寄与した光は吸収され、量子ドット４ａを透過しない。
【００５８】
ところで、エネルギーバンドダイアグラムにおいては、ｎ型のGaAs層２とｐ型のAl０．５Ga０．５As層５の間の拡散電位によりアンドープのAl０．５Ga０．５As層３は傾斜するので、量子ドット４ａに対するAl０．５Ga０．５As層３のエネルギーバリアは薄くなる。この結果、量子ドット４ａの伝導帯の基底準位に遷移した電子は、Al０．５Ga０．５As層３をトンネルしてｎ型のGaAs層２に移動する。
【００５９】
ｎ型のGaAs層２の伝導帯は、アンドープのAl０．５Ga０．５As層３を介して量子ドット４ａの伝導帯から空間的に隔てられる。また、ｎ型のGaAs層２のバンドギャップは、Al０．５Ga０．５As層３のバンドギャップよりも小さく、それらのエネルギー差は大きい。このことは、量子ドット４ａの伝導帯の量子準位とGaAs層２とがエネルギー的に分離されていることになる。
【００６０】
従って、ｎ型のGaAs層２に到達した電子が、Al０．５Ga０．５As層３を介して量子ドット４ａに戻る確率、即ち再結合の確率は極めて小さくなる。
【００６１】
例えば、ｎ型GaAs層２の伝導帯又はフェルミ準位ＥＦ と量子ドット４ａの伝導帯の基底準位とのエネルギー差を約０．６ｅＶとすると、量子ドット４ａ内での正孔の保持時間は１０００時間以上と従来よりも長くなり、室温での動作が可能になる。
【００６２】
この結果、図３(c) に示すように、量子ドット４ａの価電子帯の基底準位に正孔が閉じ込めれた状態になる。
【００６３】
このように、量子ドット４ａの伝導帯の基底準位に遷移した電子がエネルギーバリアをトンネルして外部に移動し、正孔だけが量子ドット４ａの価電子帯に残されるといった現象を、一般にホールバーニングという。
【００６４】
次に、上記した構造を有する光半導体記憶素子での情報の書込み、読出しについて説明する。
【００６５】
書込み、読出しに用いる光は光ファイバＦから照射される。
【００６６】
まず、データ「０」を書込む場合には、光を照射せずに図３(a) のようなエネルギーバンドの状態にする。
【００６７】
これに対して、データ「１」を書込む場合には、量子ドット４ａのセパレーションエネルギーに相当するエネルギーの光を量子ドット４ａに照射する。これにより図３(c) に示すように、量子ドット４ａ内ではホールバーニングが生じる。これにより、データ「１」が書込まれたことになる。
【００６８】
データ「１」の書込みによってｎ型のGaAs層２の伝導帯に移動した電子は、空間的及びエネルギー的に分離された量子ドット４ａに戻ってそこで再結合する確率が極めて小さくなり、データ「１」は消滅しない。
【００６９】
データを読み出す場合には次のような方法による。
【００７０】
まず、ｎ側電極１ａとｐ側電極５ａの間に逆バイアス電圧を印加する。
【００７１】
そして、書き込まれたデータを読み出す際には、量子ドット３ａのセパレーションエネルギーと同じエネルギーの光を量子ドット３ａに照射する。
【００７２】
データ「１」が書き込まれている場合には図３(c) に示すように量子ドット４ａからｎ型のGaAs層２への電子の移動がなく、電極１ａ，５ａに接続されたモニターＭに流れる電流は変化しない。したがって、照射された光は量子ドット４ａを透過する。
【００７３】
データ「０」が書き込まれている場合には、図３(b) に示すように、光の照射により量子ドット４ａではホールバーニングが起こり、ｎ型GaAs層２に電子が移動してモニターには電流が流れることになる。この場合、同じ大きさの量子ドットを多数形成しておくと移動する電子の量が増えるので、検出感度が高くなる。また、ｎ型GaAs層２とアンドープAl０．５Ga０．５As層３の間にｎ- 型GaAs層を介在させて、ここに高電界をかけてアバランシェを生じ易くして、受光感度を高くしてもよい。
【００７４】
以上のように電流の有無によって記憶情報の読出しが可能になるが、読出しを続けて複数回行うことはできないので、読出しの後には記憶のリフレッシュが必要になる。すなわち、データ「０」の読出しによりホールバーニングが生じたら、ｎ型GaAs層２とｐ型Al０．５Ga０．５As層５の間に正バイアスの電圧を印加してキャリアを量子ドット３ａに注入して再結合を生じさせて情報を消去した後に、再書込みを行う。
【００７５】
ところで、量子ドット３ａのセパレーションエネルギーは、量子ドット４ａの径の大きさやInAs層４の成長温度によって相違する。径の異なる複数の量子ドット４ａが存在することは、波長の異なる複数の光を素子に照射してホールバーニングを発生させ、複数の情報を同時に書込み、読出しできることになる。
【００７６】
従って、径の相違によって分けられた量子ドット４ａの群の群数が、光記憶素子のビット数になる。
【００７７】
波長の異なる光を用いて読出しする場合には、読出しの際に量子ドット４ａに照射する特定波長の光量は、書込みの際に照射する光よりも少なくするのが好ましい。これは、データ「０」を読み出す際に、光量を少なくすることによって、同一径の複数の量子ドットのうち一部がホールバーニングすることになる。したがって、ホールバーニングにより放出された電子が他の径の量子ドットに入り込んで情報を破壊する数を少なくことができ、これにより、リフレッシュの回数を減らしたり無くすることができる。
【００７８】
なお、１つの量子ドットから出る電子は２個であるが、理解を容易にするために図では１個の電子のみを示している。
【００７９】
（第２実施形態）
第１実施形態で示した光半導体記憶素子のデータを光吸収率の変化により情報を読み出す方法について、以下に説明する。
【００８０】
書き込まれたデータ読み出す際には、量子ドット４ａのセパレーションエネルギーと同じエネルギーの光を量子ドット４ａに照射する。
【００８１】
データ「０」が書き込まれている状態のエネルギーバンドは図３(a) に示すようになる。この状態で、量子ドット４ａに光を照射すると図３(b) に示すように電子・正孔対が発生し、その光は量子ドット４ａ内で吸収されるので、光透過率は小さい。このように特定波長の光の吸収率が多い場合には、データ「０」が書き込まれていたと判断する。
【００８２】
一方、データ「１」が書き込まれている状態のエネルギーバンドは図３(c) に示すようになる。この状態では、量子ドット４ａの価電子帯には正孔が存在するので、光を照射しても電子・正孔対が発生することがないので、光の量子ドット４ａ内での光透過率が大きくなる。このように、量子ドット４ａに照射した光の吸収量が少ない場合にはデータ「１」が書き込まれていた判断する。
【００８３】
この例では光の吸収率の変化によって情報をモニターするのであって、電流によって情報をモニターしないので、データ「０」の読出し時には量子ドット４ａからｎ型GaAs層２に電子を移動させる必要はない。
【００８４】
この場合、情報のリフレッシュ回数を少なくするためには、読出し時にトンネルを生じ難くすればよい。そこで、書込みの際に図３(b) に示すようにバリアでトンネルを生じさせ、読出しの際にバリアをトンネルし難くするためには、次のような方法を採用するとよい。
【００８５】
情報の書込み時には、電子が量子ドット４ａからアンドープAl０．５Ga０．５As層３の外方に移動し易くする必要がある。このために、ｎ型GaAs層２とｐ型Al０．５Ga０．５As層５に逆バイアス電圧を印加するのが好ましい。
【００８６】
一方、記憶情報の読出しの時や情報保持時には、ｎ型GaAs層２とｐ型Al０．５Ga０．５As層５にバイアス電圧を印加しないか、或いは順バイアスを印加しながら光を照射する。これによれば、情報の読出し時には、図４(a), (b)示すようにバリアとなるアンドープAl０．５Ga０．５As層３の傾斜が小さくなってバリアＢが実質的に厚くなる。従ってデータ「０」が書き込まれた状態では、図４(a) に示すように、光照射によって電子・正孔対が生じるが、その電子はバリアＢをトンネルせずに正孔と速やかに再結合するので、記憶情報が破壊されない。もちろん、データ「１」が書き込まれている場合には、図４(b) に示すように、光照射によって電子・正孔対が生じないのでデータが消えることはない。
【００８７】
なお、データ保持の際にも、ｎ型GaAs基板１とｐ型のAl０．５Ga０．５As層５の間に電圧を印加しないか、又は順バイアス電圧を印加しておくと、バリアＢが厚くなるのでデータの消失が防止される。
【００８８】
径の異なる複数の量子ドット４ａが存在する記憶素子における情報の読出しの際には、例えば図５に示すような波長と光吸収スペクトルの関係を調べる。そして、光吸収率の少ない波長に対応するセパレーションエネルギーの量子ドット４ａでは、データ「１」が書き込まれていることがわかる。
【００８９】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の光半導体記憶素子は、図１(a) において量子ドット４ａを含むアンドープAl０．５Ga０．５As層３にオーミック接触する透明導電層（不図示）をアンドープAl０．５Ga０．５As層３を挟む位置に形成したものである。例えば、ｎ型GaAs層２とｐ型Al０．５Ga０．５As層５の少なくとも一方の代わりにＩＴＯよりなる透明電極を形成する。
【００９０】
この構造の装置において、量子ドット４ａの周囲のアンドープAl０．５Ga０．５As層３の横方向に電界Ｅを印加すると、図６(a) のようなエネルギーバンドが得られる。そして、量子ドット４ａのセパレーションエネルギーに等しいエネルギーｈν１ の光を量子ドット４ａに照射すると、図６(b) に示すように、ホールバーニングが生じ、データ「１」が書き込まれる。
【００９１】
データ「０」を書き込む場合には、量子ドット３ａに光を照射しないことを選択する。
【００９２】
なお、記憶情報の読出し方法については、第１及び第２実施形態と同じなので省略する。
【００９３】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態は、第１実施形態で示した装置のｐ型のAl０．５Ga０．５As層５の代わりに WSiからなる金属層を例えば２００nmの厚さに形成して、アンドープのAl０．５Ga０．５As層３と金属層の接合部分にショットキーバリアを形成したものである。そのエネルギーバンドは図７のようになり、金属層６とAl０．５Ga０．５As層３の間にショットキーバリアが形成されていることがわかる。
【００９４】
ショットキーバリアの高さはn-GaAsに対して約０．７ｅＶなので、ｎ型GaAs層２とショトキーバリア間の電位差が大きくて電子が量子ドット４ａに戻り難く、これにより情報の保持時間が第１実施形態よりも長くなる。
【００９５】
ショットキーバリアを有する光半導体記憶素子の一例を図８に示す。
【００９６】
この例では、半導体絶縁性基板７の上には、不純物濃度５×１０17atoms/cm3 のｎ型GaAs層８が５０nmの厚さに形成され、その上にInAsよりなる径の異なる複数の量子ドット４ａを内包するアンドープのAl０．５Ga０．５As層３が５０nmの厚さに形成され、さらにその上に WSiよりなるゲート電極９が２００nmの厚さに形成されている。この場合、ゲート電極９とAl０．５Ga０．５As層３の接合部分には、ショットキー障壁が形成される。
【００９７】
また、ゲート電極９の両側には間隔をおいてソース電極１０とドレイン電極１１をAl０．５Ga０．５As層３に抵抗接続させる。ソース電極１０、ドレイン電極１１は厚さ２０nmのAuGeと厚さ２００nmのAuの２つの金属層から形成される。
【００９８】
このような半導体記憶素子において、Al０．５Ga０．５As層３にその側方から光を照射して情報を書込む。
【００９９】
一方、情報の読出しの際には、ゲート電極９に読出し用の負電圧を印加するとともに、ソース電極１０とドレイン電極１１の間に電圧を印加して、ソース・ドレイン電流の大きさによって「１」か「０」を判断する。量子ドット４ａにホールバーニングが生じている場合、即ち量子ドット４ａにデータ「１」が書き込まれている場合には、正孔の存在によってゲート電圧９からの空乏層の広がりが抑制されるので、データ「０」が書き込まれている状態に比べてドレイン電流が大きくなることを利用している。
【０１００】
また、別の情報の読出し方法としては、ゲート電極９に電圧を印加してソース・ドレイン電流を流しながら、特定波長の光を照射しない状態と照射した状態でのソース・ドレイン電流の変化を調べてもよい。この場合には、特定波長の光を照射することによりドレイン電流が増加する場合には、量子ドット４ａから電子がチャネル領域へ移動してホールバーニングが生じるので、データ「０」が書き込まれていたことがわかる。
【０１０１】
なお、径の異なる複数の量子ドット４ａは、それぞれホールバーニングを生じさせる光の波長（エネルギー）が異なるので、照射光の波長を変えることにより各量子ドット４ａのデータを読み出す。
【０１０２】
（第５実施形態）
上記した量子ドットを有する半導体層をバイポーラトランジスタの一部に設けてなる光半導体記憶素子を図９に基づいて説明する。また、その光半導体記憶素子のエネルギーバンドは図１０のようになる。
【０１０３】
図９において、GaAs基板１２の上には不純物ドーズ量５×１０18atoms/cm3 のｎ+ 型GaAsよりなるコレクタコンタクト層１３、不純物ドーズ量５×１０17atoms/cm3 のｎ型GaAsよりなるコレクタ層１４、アンドープGaAsよりなる第１のｉ層１５、ドーズ量５×１０18atoms/cm3 のｐ+ 型GaAsよりなるベース層１６、アンドープAlAsよりなる第２のｉ層１７、ドーズ量５×１０17atoms/cm3 のｎ型Al０．５Ga０．５Asよりなるエミッタ層１８が順に積層されている。
【０１０４】
第２のｉ層１７にはInAsよりなる量子ドット１９が形成されている。また、各層の厚さについて、コレクタコンタクト層１３が３００nm、コレクタ層１４が２００nm、第１のｉ層１５が３００nm、ベース層１６が１００nm、第２のｉ層１７が１００nm、エミッタ層１８が２００nmとなっている。
【０１０５】
このバイポーラトランジスタにおいて、AlAsｉ層７内の量子ドット１９のセパレーションエネルギーＥg０は、第１のｉ層１５のバンドギャップＥg１よりも広くなる。また、ベース層１６に対する第２のｉ層１７によるエネルギーバリアが高くなって正孔がベース層１６から量子ドット１９に容易に入り込まないようになっている。
【０１０６】
なお、図９中符号２０Ｃはコレクタ電極、２０Ｂはベース電極、２０Ｅはエミッタ電極を示している。
【０１０７】
次に、このバイポーラトランジスタ内の量子ドットの情報の書込み、読出し方法を以下に説明する。
【０１０８】
（ｉ）書込み方法
情報の書込み時には、エミッタ層１８とベース層１６の間に逆バイアス電圧を印加すると、そのエネルギーバンドは図１１(a) に示すようになって第２のｉ層１７のエネルギーの傾きが大きくなり、量子ドット１９のエミッタ層１８側のエネルギーバリアＢが薄くなる。このため、量子ドット１９からエミッタ層１８へのトンネルによる電子の移動が容易になり、データ「１」を書込み易くなる。この場合、コレクタ層１４とベース層１６の間には逆バイアス電圧を印加いないか、或いは順バイアス電圧を印加することにより、第１のｉ層１５での光吸収による電流の発生を抑制するのが好ましい。なお、データ「０」の書込みは、光を照射しないことによりなされる。
【０１０９】
（ii）読出し方法
情報の読出しの際には、エミッタ層１８とベース層１６の間にバイアス電圧を印加しない。これにより、量子ドット１９のエミッタ層１８側のエネルギーバリアＢが厚くなるので、読出し用の光の照射によって量子ドット１９に電子・正孔対が生じても電子がエミッタ層１８側に移動しにくくなって再結合がし易くなり、ホールバーニングは起きない。
【０１１０】
このために、読出し用の光によってデータ「０」が破壊されなくなる。なお、データ「１」は、量子ドット１９がホールバーニング状態であることなので、光照射によってデータが破壊されることはない。
【０１１１】
また、情報の読出しの際には、図１１(b) に示すように、コレクタ層１４とベース層１６の間に逆バイアス電圧を印加することが好ましい。これにより、データ「１」が書き込まれている場合には、読出し用の光は量子ドット１９を透過して第１のｉ層１５に吸収される。この吸収によって第１のｉ層１５では電子・正孔対が生じるが、電子はコレクタ層１４に移動し、正孔はベース層１６に移動して光電流が流れる。その光電流によってコレクタ・ベース間の電流量が大きくなる。
【０１１２】
したがって、光吸収量が大きい場合、またはコレクタ・ベース間電流が大きい場合には、データ「１」が書き込まれていることになる。この場合、正孔がベース層１６に移動するが、ベース層１６とエミッタ層１８の間には高い正孔バリアが存在し、しかも正孔はもともとトンネルしにくいので、正孔がベース層１６から量子ドット１９に移動してデータ「０」がデータ「１」に変えられることはない。
【０１１３】
また、データ「０」が書き込まれている場合には、読出し用の光は量子ドット１９に吸収されて第１のｉ層１５に到達する光量が減少する。この減少によって第１のｉ層１５に流れる光電流は小さい。
【０１１４】
したがって、光吸収量が小さい場合、又はコレクタ・ベース間電流が小さい場合には、データ「０」が書き込まれていることになる。
【０１１５】
書き込まれた情報が変化するおそれがあるので、コレクタ−ベース間にはバイアスを印加しないか、または順バイアスを印加して光電流が流れないようにする。  従って、この読出し方法によれば、ベース−コレクタ間に逆バイアスを印加しておけば、光の吸収量の差によってベース−コレクタ間に流れる電流量が異なるので、その電流量の差異によって記憶情報を検知することが可能になる。
【０１１６】
この例によれば、読出しと書込みを独立に行えるので、リフレッシュは不要となる。
【０１１７】
なお、第１のｉ層１５を省略してもよいが、この場合には、量子ドット１９のセパレーションエネルギよりも小さなバンドギャップの半導体材料によりコレクタ層を形成して、光電流を生じさせる。
【０１１８】
また、第１のｉ層１５のバンド間エネルギーが量子ドット１９のセパレーションエネルギーよりも大きい場合には、第１又は第２の実施形態で示したと同じようにコレクタ電流の変化や光の吸収率の変化によってデータを読み出す。
【０１１９】
さらに、ベース層１６とコレクタ層１４の間にアバランシェ崩壊を生じさせるような高い電圧を印加しておけば、受光量の変化に対する感度が高くなり、応答速度が速くなる。これにより、光に対して利得を有することになり、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。
【０１２０】
本実施形態ではｎｐｎバイポーラトランジスタを利用しているが、ｐｎｐバイポーラトランジスタの一部に量子ドットを含むようにしてもよい。
【０１２１】
（第６実施形態）
次に、ｐｉｎ接合型フォトダイオードの一部に量子ドットを有する層を形成してなる光半導体記憶素子を図１２(a),(b) に基づいて説明する。
【０１２２】
図１２(a),(b) において、GaAsよりなる半絶縁性基板２１の上には、膜厚３００nmのｎ型GaAs層２２、膜厚１００nmのアンドープIn０．１Ga０．９As層２３、膜厚２００nmのｐ型AlAs層２４が順に形成されている。ｐ型AlAs層２４の層中央の１０nmの領域領域には、サイズの異なるGaAs又はInGaAsよりなる量子ドット２５が複数個形成されている。
【０１２３】
また、ｐ型AlAs層２４の上には環状のｐ側電極２６が形成され、また、ｎ型のGaAs層２２の上にはｎ側電極２７が形成されている。
【０１２４】
なお、ｎ型GaAs層２２の不純物濃度は５×１０18 atoms/cm3、ｐ型AlAs層２４の不純物は５×１０18 atoms/cm3である。
【０１２５】
このような量子ドット２５を有するｐｉｎフォトダイオードは、図１２(c) に示すようなエネルギーバンド構造になっている。ｐ型AlAs層２４内に大きさの異なる複数の量子ドット２５が存在するため、電子・正孔対が生成される光の波長は、上記実施形態で既に述べたように量子ドット２５のサイズによって変化し、しかも、各量子ドット２５は、それぞれのセパレーションエネルギーに対応する波長の光のみを吸収する。
【０１２６】
しかも、光を吸収した量子ドット２５では、ホールバーニングが生じて正孔がその中に閉じ込められた状態になるため、再び同じ波長の光が照射される場合には、その光はその量子ドット２５を透過する。
【０１２７】
ここで、アンドープIn０．１Ga０．９As層２３は、量子ドット２５の材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有しているので、量子ドット２５を透過した光がアンドープIn０．１Ga０．９As層２３に吸収されると、ここでは一般的なｐｉｎフォトダイオードと同様に電子・正孔対が発生し、光電流が流れる。その光は、量子ドット２５のセパレーションエネルギーと同じエネルギーを有している。
【０１２８】
従って、本実施形態の素子でも、光照射の有無によってデータ「１」又は「０」を書き込むことになる。また、量子ドット２５の中の正孔の有無により光電流が異なるので、ｐ側電極２６とｎ側電極２７に流れる電流を測定することにより記憶情報を読み出すことが可能になる。
【０１２９】
なお、記憶情報の読出し後には量子ドット２５はホールバーニング状態となるので、リフレッシュの必要がある。
【０１３０】
（第７実施形態）
本実施形態では、第６実施形態と異なる位置に量子ドットが形成された光半導体記憶素子を説明する。
【０１３１】
図１３において、GaAsよりなる半絶縁性基板３１の上には、膜厚３００nmのｎ+ 型GaAs層３２、膜厚１００nmのアンドープIn０．１Ga０．９As層３３、膜厚２００nmのｐ型AlAs層３４が順に形成されている。
【０１３２】
また、ｐ型AlAs層３４上で環状のｐ側電極２６に囲まれた領域にはアンドープのAlAs層３５が５０nmの厚さに形成され、また、そのAlAs層３５の中にはサイズの異なるGaAsよりなる量子ドット３６が複数個形成されている。
【０１３３】
さらに、ｎ+ 型のGaAs層２２の上にはｎ側電極２７が形成されている。
【０１３４】
なお、ｎ型GaAs層３２の不純物濃度は５×１０18atoms/cm3 、ｐ型AlAs層３４の不純物は５×１０18atoms/cm3 である。
【０１３５】
この実施形態でも、第６実施形態と同じような情報の書込み、読出しが行われる。
【０１３６】
（第８実施形態）
情報の書込み、読出しの際に使用する発光素子を第６実施形態の光半導体記憶素子と一体化してもよく、その一例を次に説明する。
【０１３７】
発光素子として例えば面発光型半導体レーザを使用し、その上に第６実施形態のｐｉｎフォトダイオードを積層すればよい。そのエネルギーバンド図は図１４のようになる。
【０１３８】
GaAs基板（不図示）の上にｎ型クラッド層４１とアンドープ活性層４２とｐ型クラッド層４３を順に積層し、また、GaAs基板の下に第１の反射膜（不図示）を形成し、ｐ型クラッド層４３の上に第２の反射膜（不図示）を形成し、これにより半導体レーザ３９を構成する。また、第２の反射膜の上に光半導体記憶素子４０を形成する。
【０１３９】
クラッド層４１，４３として例えばIn０．５(Ga１−ｘ Alｘ )０．５P 層、活性層４２として例えばIn０．５(Ga１−ｙ Alｙ )０．５P 層を用いる（ｘ＞ｙ）。
【０１４０】
ｐ型クラッド層４３の上の光半導体記憶素子４０は、第６実施形態と同じ層構造を有し、量子ドット２５を有するｐ型AlAs層２４と、アンドープIn０．１Ga０．９As層２３と、ｎ型GaAs層２２から構成されている。
【０１４１】
（第９実施形態）
本実施形態では、ｎｐｎ接合型フォトトランジスタを基本構造として使用する光半導体記憶素子を図１５に基づいて例にあげて説明する。
【０１４２】
図１５(a) において、GaAs基板４５の上にはｎ型GaAsコレクタ層４６、アンドープのGaAsサブコレクタ層４７、ｐ型AlAsベース層４８が順に形成され、ベース層４８の上には環状のｎ型GaAsエミッタ層５０、エミッタ電極５１が形成されている。ベース層４８の一部又は全部の領域には、サイズの異なるGaAsよりなる量子ドット４９が複数個形成されている。また、コレクタ層４６にはコレクタ電極５２が接続されている。
【０１４３】
このような素子において、サブコレクタ層のバンドギャップが量子ドットのバンドギャップよりも小さいので、量子ドットを透過した光がサブコレクタ層に照射されて電子・正孔対が形成され、コレクタ電流が流れる。
【０１４４】
ところで、１つのGaAs基板４５の上にバイポーラトランジスタを併せて形成する場合には、図１５(a) の構造の素子を２つ形成し、その一方の素子をベース層４８上に図１６に示すような金属製のベース電極５３を形成すると、ベース電極５３によってベース層４８が遮光されるので、その素子は通常のバイポーラトランジスタとして機能する。バイポーラトランジスタとしてはマルチエミッタ型のものを用いてもよい。
【０１４５】
量子ドット４９をベース層４８ではなくてエミッタ層５０の中に形成してもよい。この場合には、ベース層４８をｐ型GaAsによって形成し、エミッタ層５０をｎ型AlAsによって形成することになる。この場合のエネルギーバンドギャップは図１７のようになる。
【０１４６】
そして、エミッタ層５０内の量子ドット４９がホールバーニング状態にある時には、読出しのために照射された光がエミッタ層５０を通過してベース層４８に照射される。ベース層４８のエネルギーバンドギャップは、量子ドット４９のセパレーションエネルギーよりも小さいので、ベース層４８では光照射によって電子・正孔対が生成され、ベース層４８内の正孔が過剰になるので、コレクタ電流は変化する。
【０１４７】
本実施形態ではフォトトランジスタに量子ドットを設けているので、量子ドットにホールバーニングが生じた場合に、読出用の光によってベース層とコレクタ層の間で生成された電子、正孔は増幅されるので、光電流が大きくなる。
【０１４８】
また、ホールバーニングが生じている量子ドットの情報をリセット（初期化）させるためには、量子ドットのセパレーションギャップに等しいエネルギーの光の量を多くしてベース層とコレクタ層の間で発生した電子を量子ドットに供給して再結合させることができる。さらに、量子ドットの両端に大きな電圧を印加して再結合を生じさせ、これにより情報をリセットすることもできる。
【０１４９】
なお、フォトダイオードとフォトトランジスタなどの受光素子についても、サイズの異なる量子ドットを多数形成しておけば、それぞれの量子ドットのセパレーションギャップに等しいエネルギーの光を選択して、所望の量子ドットの書込み、読出しが可能になる。即ち、量子ドットのサイズの数だけ記憶セルが存在し、光の波長に対応したアドレッシングが可能になるので、記憶容量を非常に大きくできる。
【０１５０】
（第１０実施形態)
本実施形態では、量子ドットをマルチエミッタ型ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ) に適用して構成される光半導体記憶素子を以下に説明する。
【０１５１】
図１８において、GaAs基板６１の上には、膜厚２００nmのｎ+ 型GaAsよりなるコレクタト層６２と、膜厚１００nmのアンドープGaAsよりなるサブコレクタ層６３と、膜厚５０nmのｐ型GaAsよりなるベース層６４と、膜厚５０nmのｎ型In０．５Ga０．５P よりなるエミッタ層６５が形成されている。エミッタ層の上には膜厚２００nmのｎ+ 型GaAsよりなるエミッタコンタクト層６７，６８が間隔をおいて複数個（図では２個) 形成され、それらの上にはエミッタ電極６９，７０が形成されている。また、エミッタ層６５の中にはGaAsよりなる量子ドット６５がサイズを異にして複数形成されている。
【０１５２】
コレクタ層６２、ベース層６４、エミッタ層６５、エミッタコンタクト層６７，６８の不純物濃度は、それぞれ５×１０18atoms/cm3 となっている。
【０１５３】
このマルチエミタ型のＨＢＴはベース電極がなく、それぞれのエミッタ電極６９，７０の電圧が等しい場合にはコレクタ層６２に電流が流れず、また、エミッタ層６９，７０の電圧が異なる場合にはコレクタ層６２に電流が流れるという動作をする。なお、エミッタ層６９，７０に印加する電圧はコレクタ層６２よりも高く設定する。
【０１５４】
（第１１実施形態）
上記した半導体装置において、サイズの異なる複数の量子ドットの記憶情報を読出したり、量子ドットに情報を書き込んだりする際には、それぞれの量子ドットのセパレーションエネルギーに対応した波長の光を連続的にスキャンして複数の量子ドットに照射してもよいし、波長の異なる光を同時に照射してもよい。  すなわち、量子ドットのセパレーションエネルギーはサイズ、成長温度などに依存するので、各量子ドットに固有の波長の光を照射して情報の書込み、読出しを行うことになる。量子ドットにおいては、固有の波長以外の光によってホールバーニングが生じないので、波長の異なる光を同時に照射したり連続的に照射してもエラーは発生しない。
【０１５５】
記憶情報の読出しの際に、波長の異なる光を連続的にスキャンした場合の光吸収飽和特性を図１９(a) に示す。図１９(a) において、光吸収係数が減少した波長に対応するセパレーションエネルギーを有する量子ドットでは、光照射によってホールバーニングが生じたことになる。ホールバーニングが生じると、量子ドットから抜けた電子によって光電流が大きくなる。
【０１５６】
したがって、波長の異なる光を連続的にスキャンすることにより、大容量の情報の書込み、読出しが可能になる。
【０１５７】
また、ｐｉｎ接合型フォトダイオードは、図１９(b) の分光感度特性に示すように、波長によって受光感度が異なる。このような素子に量子ドットを形成した場合については、予め光吸収係数と波長の関係を測定しておいて読出しの際の光吸収係数の値に基づいて読み出された情報の波長を知ることができる。このことから、リフレッシュが必要な素子については、どの波長に光を再入力したら良いかがわかる。
【０１５８】
（第１２実施形態）
以上に示した記憶セルを１つの基板上にＸ軸方向とＹ軸方向にマトリクス状に多数配列してもよい。記憶セルとしては上記実施形態の光半導体記憶素子が該当する。
【０１５９】
この場合、図２０に示すように、Ｘ軸方向に第１の電気配線Ｅ１ 〜Ｅ４ を配置し、Ｙ軸方向に第２の電気配線Ｃ１ 〜Ｃ４ を配置し、かつ、それらの電気配線の交差部分近傍で記憶セル７２の２つの電極７３，７４に接続する。それら２つの電極としては、上記した光半導体記憶素子のｎ側電極とｐ側電極、或いはエミッタ電極とコレクタ電極がある。
【０１６０】
また、それらの記憶セル７２の書込みや読出しの際に照射する光ｈｖ１１〜ｈｖ４４は、第１及び第二の電気配線Ｅ１ 〜Ｅ４ ，Ｃ１ 〜Ｃ４ 上に配置された光配線（不図示）を配置する。光配線としては、例えば画像表示装置で画素に配置される光シャッタがある。波長の異なる光ｈｖ１１〜ｈｖ４４を同時に記憶セル７２に照射して一括で情報の書込みや読出しを行う場合には、全ての記憶セル７２に１つのスポット状の光を照射すればよい。
【０１６１】
このような配線によれば、電気配線と光配線を使用しているので、光と電気の信号が干渉せずに効率的な配線が可能になる。
【０１６２】
正孔のみが閉じ込められた量子ドットに電子を注入して、量子ドット内で電子と正孔を再結合させると、量子ドットのホールバーニングが消えてデータが「０」にリッセットされるので、全ての量子ドットに一括して電子を注入することにより処理速度が高速化・簡単化する。
【０１６３】
量子ドットに電子を注入する方法としては、例えば量子ドットの周囲に存在するｐ型半導体層とｎ型半導体層に順バイアス電圧を印加する方法がある。第１０実施形態に示すようなマルチエミッタ型のＨＢＴの場合には、複数のエミッタ間に電流を流して量子ドットに電子を供給すると、その量子ドットにはホールバーニングが生じない。
【０１６４】
このように第１の電気配線Ｅ１ 〜Ｅ４ のいずれかと第２の配線Ｃ１ 〜Ｃ４ のいずれかを選択して記憶セル７２に電流を流すと、その選択された光半導体記憶素子は書込みが不可能になる。このことは、光半導体記憶素子の選択が可能になることを意味する。
【０１６５】
記憶セルを選択して書き込むようにすると、記憶セルを選択するような小さなスポット径の光が不要になり、複数の記憶セル７２に一括して光を照射すればよくなる。
【０１６６】
（第１３実施形態）
本実施形態では、光照射によってデータをリセットする例を示す。
【０１６７】
例えば、図２１(a) のバイポーラトランジスタ型の記憶セルにおいて、量子ドットを含むベース層のバンドギャップＥg０１ 以上のエネルギーの光ｈｖを照射すると、ベース層の価電子帯への正孔の蓄積が促進され、そのベース層のポテンシャルが下がってベース層に電流が流れる。これにより、ベース層内の複数の量子ドット内に電子が供給されるので、ホールバーニングが解消されて量子ドットのデータは「０」にセットされる。１つのベース層に複数の量子ドットが存在する場合に、その光照射によって全ての量子ドットのデータは「０」になる。
【０１６８】
また、１つのベース層にサイズの異なる量子ドットが複数個存在する場合に、図２１(b) に示すように、最もサイズの大きな量子ドットを選び、その量子ドットのセパレーションエネルギー以上であって且つベース層のエネルギーバンドギャップよりも小さなエネルギーに相当する波長帯域の光をベース層に照射する。これによれば、ベース層内の全ての量子サイズにホールバーニングが生じ、全ての量子ドットのデータは「１」にセットされる。
【０１６９】
ここで、最も大きな量子ドットを選んだのは、この量子ドットの基底準位が他の量子ドットの基底準位よりも小さいからである。
【０１７０】
（第１４実施形態）
上記した光半導体記憶素子を構成する複数の量子ドットを多層構造にしてもよい。
【０１７１】
例えば、図２２に示すように、ｎ型の半導体基板８０上の半導体層８１内に形成された複数の量子ドット８２ａ〜８２ｅにおいて、量子ドット８２ａ〜８２ｅのうちの面方向のサイズを揃える一方、厚さ方向のサイズを異ならせてもよい。この場合、径の大きさの順に量子ドット８２ａ〜８２ｅを積み上げたり、或いは、径の小さい順に量子ドット８２ａ〜８２ｅを積み上げたり、又は、径の大きさが不規則になるように量子ドット８２ａ〜８２ｅを積み上げるようにしてもよい。
【０１７２】
量子ドット８２ａ〜８２ｅのサイズは、図２３に示すように成長温度が大きくなるにつれて小さくなり、また、その密度は成長温度が大きくなるにともなって高くなる。これにより、量子ドット８２ａ〜８２ｅを構成する半導体の成長温度を調整することにより図２２のような構造が得られる。
【０１７３】
複数の量子ドット８２ａ〜８２ｅのサイズの数を制御することによって１つの半導体層８１内のビット数を調整することが可能になる。
【０１７４】
このように量子ドットの大きさを変える技術については、J. Oshinowo et. al., Appl. Phys. Lett. 65 (11), 12 September 1994, pp.1421-1423 に記載されている。
【０１７５】
量子ドットの大きさは、量子ドットを構成する半導体の供給量を変えることによっても調整できる。例えば、図１(a) 〜図１(c) に示す工程において、量子ドット４ａになるInAs層４の厚さを変えると、図２４に示すような関係がある。なお、図２４では、InAsの供給量をInAsの厚さで示している。
【０１７６】
図２４によれば、供給量が１．５〜２．３ＭＬまでは、量子ドットのサイズはInAsの供給量を増やすに従って小さくなることがわかる。
【０１７７】
このように、膜厚方向に配列された複数の量子ドットの径を異ならせ、しかも、図２２に示すように、半導体基板８０としてｎ型GaAs基板を使用し、半導体層８１としてAlAs又はAlGaAs層を用い、量子ドット８２ａ〜８２ｅとしてInAs又はInGaAsのドットを使用し、さらに、半導体層８１にショットキー接触する電極８３を半導体層８１上に形成すると、図２５に示すようなバンドダイアグラムが得られる。この場合、量子ドット８２ａ〜８２ｅは径の大きい順に積層されている。
【０１７８】
この構造の光メモリ素子の情報の書込み、読出し方法は次のようになる。
【０１７９】
まず、情報を書き込む場合を説明する。
【０１８０】
最上の量子ドット８２ｅに特定波長の光を照射して電子・正孔対を生成させ、その電子をトンネル効果によって量子ドット８２ｅの外部に放出させると、その電子は電極８３と半導体基板８０の間の電界によって半導体基板８０に移動する。ただし、電極８３と半導体基板８０の間には電圧が印加され、半導体基板８０が電極８３よりも電圧が高くなっている。
【０１８１】
その電子が半導体基板８０に到達する前に、下方の量子ドット８２ｂに既に光が照射されて「１」が書き込まれていると、最上の量子ドット８２ｅから移動した電子は、その下方の量子ドット８２ｂ内で再結合して下方の量子ドット８２ｂの情報を「０」に書き換えてしまうといった不都合がある。
【０１８２】
従って、多層構造の量子ドット８２ａ〜８２ｅを有する光メモリ素子の場合には、電位の低い側の量子ドットから順に情報を書込むのが好ましい。図２２(a) では半導体基板８０から最も離れた側から順に情報を書き込むことになる。
【０１８３】
次に、情報を読み出す場合を説明する。
【０１８４】
最上の量子ドット８２ｅに情報「０」が書き込まれているとして、その量子ドット８２ｅに特定波長を照射して情報を読みだすと、その量子ドット８２ｅからは電子が外部に放出される。この場合、その電子は、情報「１」が書き込まれた下方の量子ドット８２ｂ内で再結合して、その情報を「０」に書き換えるおそれがある。
【０１８５】
従って、多層構造の量子ドット８２ａ〜８２ｅを有する光メモリ素子の場合には、電位の高い側の量子ドットの情報から順に読み出すのが好ましい。図２２(a) では半導体基板８０に最も近い側から順に情報を読みだすことになる。
【０１８６】
もっとも、全部の量子ドット８２ａ〜８２ｅの情報を読出した後には、全ての量子ドッット８２ａ〜８２ｅをリセットして、再書込みする必要がある。即ち、ショットキーバリアに順方向に電流を流して電子電流により全ての記憶情報を「０」にリセットする。
【０１８７】
この実施形態では、半導体層８１上にショットキー接触する電極８３を形成しているが、その電極８３の代わりにｐ型半導体層を形成してもよい。この場合のリセットは、ｐｎ接合の順方向に電流を流して行う。
【０１８８】
なお、図２６に示すように、ｎ型の半導体基板８０と半導体層８１の間にGaAsよりなるアンドープ半導体層８４を介在させ、アンドープ半導体層８４に高電界を印加すると、既に述べたようにアバランシェ崩壊により電子が増幅されて大きな信号をとることが可能になる。
【０１８９】
なお、光メモリ素子への光は、半導体層８１の側方から、或いは透明導電材よりなる電極８３を用いて上方から照射される。
【０１９０】
（第１５実施形態）
図２２に示したような多層構造の量子ドットを有する光メモリの情報の書込み、読出しの際には次のような方法を採用する。
【０１９１】
情報の書込みは、図２７に示すように、各量子ドット８２ａ〜８２ｅの遷移エネルギーに等しいエネルギーｈｖ０１〜ｈｖ０５の複合光を同時に照射してもよいし、図２７に示すように、複数のエネルギーｈｖ０１〜ｈｖ０５の光を個々に時系列的に各量子ドット８２a 〜８２e に照射してもよい。遷移エネルギーと同じエネルギーの光の照射によってのみそれぞれの量子ドット８２ａ〜８２ｅの書き込みができるので、いずれの方法も採用できる。ただし、時系列に光を照射する場合には、第１４実施形態で示したように、電位の低い側の量子ドットから順に情報を書込むのが好ましい。
【０１９２】
なお、ｈはプランク定数、ｖは光の振動数である。
【０１９３】
情報の読出しは、半導体基板８０に流れる電流の変化量によって情報「０」、「１」を判別するので、図２７に示すように複数のエネルギーｈｖ０１〜ｈｖ０５の光を個々に順次時系列的に各量子ドット８２a 〜８２e に照射することによって行う。ただし、第１４実施形態で説明したように、電位の高い側の量子ドットから順に情報を読み出すような光の照射順を決めるのが好ましい。
【０１９４】
この場合、図２８に示すように、エネルギーの異なる光パルスを順にを照射すると、光パルスの照射のタイミングに従って半導体基板８０と電極８３に流れる検出電流が時系列的に変化するので、これにより出力が検出される。
【０１９５】
なお、量子ドットにおける伝導帯と価電子帯の基底準位のエネルギー差（遷移エネルギー）Ｅg０１ はｈｖ０１は等しく、同じように、Ｅg０２ はｈｖ０２、Ｅg０３ はｈｖ０５３ 、Ｅg０４ はｈｖ０４、Ｅg０５ はｈｖ０１５ に等しい。
【０１９６】
（第１６実施形態）
量子ドットが多層となる光メモリ素子において、光照射によって量子ドット内で生成された電子・正孔対のうち正孔のトンネルを防ぐために、図２９(a) に示すような構造を採用する。
【０１９７】
図２９(a) において、図２２と同一符号は同一要素を示している。
【０１９８】
この場合、各量子ドット８２ａ〜８２ｅのうち外部印加電界の低い側に、価電子帯Ｅc のバンドオフセットが高く、伝導帯Ｅv のバンドオフセットが小さい材料からなる第２のバリア層８５を配置する。
【０１９９】
例えば、その第２のバリア層８５をIn０．５Ga０．５P から構成する場合には、伝導帯のバンドオフセットは０．１eV、価電子帯のバンドオフセットは０．５eVとなる。この場合、半導体基板８０としてｎ型GaAs基板を使用し、第１のバリア層となる半導体層８１としてAl０．５Ga０．５As層を用い、量子ドット８２ａ〜８２ｅとしてInAsのドットを用い、さらに、半導体層８１にショットキー接触する電極８３をタングステンから形成すると、そのバンドダイアグラムは、図２９(b) のようになる。
【０２００】
図２９(b) からも明らかなように、電子・正孔対生成後に量子ドット８２ａ中に残った正孔は第２のバリア層８５によりトンネルが妨げられて溜まるために、他への層に悪影響を及ぼすことはない。しかも、量子ドット８５ａからの電子のトンネルが妨げられることはないので、光メモリ素子の書込み、読出が容易である。
【０２０１】
（その他の実施形態）
以上述べた実施形態における量子ドットとその周囲の半導体層の材料としては、III-Ｖ族半導体、II-IV 族半導体、Si、Ge、SiGeなどのいずれであってもよく、上記実施形態の記載に限定されるものではない。
【０２０２】
光半導体記憶集積回路を構成するためには、上記した光半導体記憶素子だけでなく、その周辺回路としてスイッチング素子が不可欠である。上記した光半導体記憶素子のうち量子ドットを含む半導体層に光が照射されなければ、スイッチング素子として動作する素子もある。そのような素子をスイッチング素子として機能させる場合には、量子ドットを含む半導体層に遮光膜を形成すればよい。例えば図９に示す素子の半導体層１７上の一点鎖線で示す位置に遮光膜を形成してこれを通常のバイポーラトランジスタとして使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２０３】
【図１】本発明の第１実施形態に使用する光半導体記憶素子の形成方法を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に使用する量子ドットの大きさが異なる状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に使用する光半導体記憶素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光半導体記憶素子の情報保持又は情報読出しの際のエネルギーバンドダイアグラムである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光半導体記憶素子の情報読出しの際の光の波長と量子ドットの光の吸収率の関係を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光半導体記憶素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図７】本発明の第４実施形態に係るショットキーバリアを有する光半導体記憶素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図８】本発明の第４実施形態に係る光半導体記憶素子を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る光半導体記憶素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る光半導体記憶素子の構造的なエネルギーバンドダイヤグラムを示している。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る光半導体記憶素子の情報の書込み時、読出し時のそれぞれのエネルギーバンドダイヤグラムを示している。
【図１２】本発明の第６実施形態に係る光半導体記憶素子を示す断面図、平面図及びそのエネルギーバンドダイヤグラムを示している。
【図１３】本発明の第７実施形態に係る光半導体記憶素子を示す断面図である。
【図１４】本発明の第７実施形態に係る光半導体記憶素子とこれに接続された発光素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１５】本発明の第８実施形態に係る光半導体記憶素子の断面図とそのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１６】本発明の第８実施形態に係る光半導体記憶素子を遮光膜によって覆って構成されたバイポーラトランジスタを示す断面図である。
【図１７】本発明の第８実施形態に係る光半導体記憶素子での量子ドットをエミッタ領域に形成した場合のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１８】本発明の第１０実施形態に係る光半導体記憶素子を示す断面図である。
【図１９】本発明の第１０実施形態に係る光半導体記憶素子の情報の読出し、書き込みに使用される波長の異なる光を連続的にスキャンした場合の光吸収飽和特性図と分校感度特性図である。
【図２０】本発明の第１２実施形態に係る光半導体記憶装置を示す回路図である。
【図２１】本発明の第１３実施形態に係る光半導体記憶素子のホールバーニングを解消する状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムと、ホールバーニングを生じさせるエネルギー範囲を示すエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図２２】本発明の第１４実施形態にかかる光半導体記憶素子を示す断面図である。
【図２３】図２２に示す光半導体記憶素子の量子ドットのサイズ、密度と成長温度の関係を示す図である。
【図２４】本発明の第１４実施形態にかかる光半導体記憶素子のInAsよりなる量子ドットを形成する工程において、量子ドットのサイズとInAs供給量の関係を示す図である。
【図２５】本発明の第１４実施形態にかかる光半導体記憶素子のエネルギーバンドダイアグラムである。
【図２６】本発明の第１４実施形態にかかる光半導体記憶素子にアバランシェ崩壊を生じさせるためのアンドープ半導体層を介在させた構造を示す断面図である。
【図２７】本発明の第１５実施形態にかかる光半導体記憶素子への情報の書込みのためのエネルギーの異なる複数の光を同時に照射することを示す光波形図である。
【図２８】本発明の第１５実施形態にかかる光半導体記憶素子への情報の書込み又は読出しのためのエネルギーの異なる複数の光を同時に照射することを示す光波形図と、半導体記憶素子に流れる電流の変化の一例を示す波形図である。
【図２９】本発明の第１６実施形態にかかる光半導体記憶素子を示す断面図と、そのエネルギーバンドダイアグラムである。
【図３０】従来の光半導体記憶素子のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【符号の説明】
【０２０４】
２    ｎ型GaAs層（半導体層）
３    Al０．５Ga０．５As層（半導体層）
４ａ    量子ドット
５    ｐ型Al０．５Ga０．５As層（半導体層）
７    金属層
８    ｎ型GaAs層（半導体層）
９    ゲート電極
１６    ベース層
１７    ｉ層
１８    エミッタ層
１９    量子ドット
２３    In０．１Ga０．９As層
２４    ｐ型AlAs層（半導体層）
３４    ｐ型AlAs層（半導体層）
３６    AlAs層
３７    量子ドット
３９    半導体レーザ
４０    光半導体記憶素子
４７    サブコレクタ層
４８    ベース層
４９    量子ドット
５０    エミッタ層
６４    ベース層
６５    エミッタ層
６６    量子ドット
６７，６８    エミッタコンタクト層
８１    半導体層
８２ａ〜８２ｅ    量子ドット
８５    障壁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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